高效蓝光LED成就了高亮节能白光光源

发光二极管（Light-emitting diodes，LEDs）是基于半导体元件的窄带光源，发光波长范围从红外到紫外。第一个LEDs的研发于1950s和1960s年代就在几个实验室进行，发光波长为红外到绿光不等。但是，蓝光LEDs的研发却非常艰难，又用了30多年才实现，其中需要研究高质量晶体的生长技术、宽带隙半导体的p型掺杂控制技术，而这些技术只有在1980s末期在GaN体系上得以实现。另外，高效蓝光LED的研发也需要制备出具有不同组成的GaN基合金，并需要将之集成为异质结和量子阱类的多层结构。

高效白光LEDs的发明成就了照明用白色光源。荧光材料受蓝光LED照射激发，会发出绿、红谱段的光，它们与蓝光合并后看起来就是白光。另外，具有不同互补色（红/绿/蓝）的几个LEDs一起用也可以形成白光。以上两种技术被用在当今的高效电致发光白光光源中。这些光源具有很长的寿命，已经在通用照明领域被用以替代白炽灯和荧光灯。因为照明用电占整个电能消耗的20-30%，而这些新型白光光源耗费的电能仅仅是普通灯泡的1/10，所以使用高效蓝光LEDs实现了显著的节能效果，这一发明将造福人类。

因此，今年的诺贝尔物理学奖颁给了高效蓝光LEDs的发明者：I. Akasaki、H. Amano和S. Nakamura。

一、早期历史（序号为中译者所加，下同（译者注））

第一例用固体器件电致发光的报道源自任职于Marconi Electronics的H. J. Round，时间为1907年 [1]。他在SiC晶体上的两个触点间施加电压，在低电压时观察到黄光发射，高压下却观察到了多种颜色发射。前苏联的O. Losev（1903-1942），一位器件物理学奖，于1920s至1930s期间也在国际期刊上发表了几篇有关SiC电致发光的文章 [2]。这些研究先于现代固态材料电子结构理论的建立。

 半导体物理和p-n结研究的进展（1940s时期—1940s指20世纪40年代，下同（译者注）），成就了1947年美国贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories）的晶体管伟大发明，Shockley、Bardeen和Brattain分享了1956年诺贝尔奖。研究者也开始意识到p-n结也能用做发光器件！1951年，任职于美国Signal Corps Engineering实验室的K. Lehovec等 [3]就据此解释了前述SiC电致发光现象：载流子注入结区后电子和空穴复合后发光。但是，实测的光子能量要低于SiC的能隙，他们认为此复合过程可能是杂质或晶格缺陷主导的过程。1955年，用其他几种III-V化合物也观察到了载流子注入电致发光现象 [4, 5]。1955-1956年，贝尔电话实验室的J. R. Haynes发现Ge和Si电致发光现象的机制也是p-n结区中电子和空穴的复合所致[6]（如图1）。

图1. p-n结发光的原理示意图。p-n结施加正向偏压后，电子沿n到p的方向注入，空穴以相反方向注入，电子和空穴复合发光（自发发光）。LED发光效率要高，很重要的一点是所用的半导体材料为直接带隙型；间接带隙型LED发光效率不高的原因是需要光子辅助复合这一过程。LED器件的量子效率等于比值：（发射光子数）/（给定时间内接触结区中注入电子数）。