LED:白光时代的“圣杯”

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所属分类:百科知识2014年

素有“天才发明家”之称的爱迪生,于1879年用“炭丝”赋予了白炽灯以鲜活的生命力。然而,大部分白炽灯的能量利用率不会超过10%,90%以上的电能则转化为热能损耗掉了。这种“大手大脚”的秉性,与当今可持续发展理念格格不入,面临被淘汰的命运是在所难免的。什么将成为顺应人类绿色文明潮流的照明光源呢?
  LED是Light Emitting Diode的缩写,中文意思为“发光二极管”,这是一种特殊的半导体二极管,可以把电能转化成光能。LED光源与白炽灯具有不同的发光原理,具有许多极其优秀的品质。与普通二极管一样,LED也是由一个PN结(即一块半导体一侧掺杂成P型半导体,另一侧掺杂成N型半导体)组成的,也具有单向导电性。当给LED加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN接面附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,从而产生自发辐射的荧光。优质LED灯的能耗可以降低至普通白炽灯的1/20以下,而其耐久度分别为荧光灯和白炽灯的10倍和100倍,并且照明效果更加稳定可靠。因此,LED光源以其节能环保、经久耐用而独领风骚,大有成为21世纪照明“主角”之势。
  被尘封的历史故事
  LED的发明经历了一个极其艰难的过程。1907年,英国马可尼实验室的科学家在一块金刚砂上观测到了电致发光现象,金刚砂的主要成分为碳化硅。不过,由于无机半导体发出的黄光太过暗淡,研究者因此没有把试验继续进行下去。1920年,德国科学家进行了硫化锌的电致发光试验,但最后也因发出的光太过暗淡而再次被搁置下来。
  电致发光又被称为场致发光,是电能直接转换为光能的一类发光现象。半导体PN结在一定条件下的电致发光,是发明发光二极管的物理基础。尽管在20世纪初对半导体PN结电致发光原理的阐释还没有取得重大突破,但是科学家并没有因为困难和失败而停止探索的脚步。在世界上第一个发红光的发光二极管诞生之前,不同国别的科学家用各自不同的方式探索着同样一个主题,那就是半导体PN结电致发光现象。
  大约在1927年前后,苏联科学家奥列格·洛谢夫曾独立制成了世界上第一个发光二极管,但其成果并没有引起人们的注意。更不幸的是,他于1942年过早地离开了人世,使得他发明发光二极管的故事渐渐地被历史淡忘了。
  1955年,美国无线电公司的科学家布朗斯坦首次发现了砷化镓及其他半导体材料的红外放射作用,并在物理上实现了二极管的发光,不过发出的光不是可见光而是红外光。1961年,美国德州仪器公司的科学家布莱德和皮特曼发现,砷化镓在施加电子流时会释放出红外光辐射,从而率先生产出了具有商业用途的红外发光二极管,并获得了砷化镓红外发光二极管的发明专利。
  此后,红外发光二极管就被广泛应用于传感及光电设备当中,从而为电子工业增添了活力。红外发光二极管作为一种把电能直接转换成红外光能的发光器件,在今天仍然具有极其重要的应用。比如,在电视机、录像机、影碟机、空调器等各类红外遥控系统中,红外发光二极管就是一个不可或缺的电子器件。
  从碳化硅到硫化锌,从硫化锌再到砷化镓……实验证明,改变半导体材料的化学组成成分,可以让其在电致发光时发出不同的光来。不过,此前电致发光发出的都是不可见光。从照明的角度来说,具有实用意义的发光二极管应当能够发射可见光。因此,为了实现这个目标,还需要技术上的突破。
  砷化镓与神奇红光
  1962年,通用电气公司的尼克·何伦亚克开发出世界上第一个发出红色可见光的发光二极管,此前,他曾在美国贝尔实验室从事研究工作。何伦亚克当时使用的半导体材料是磷砷化镓,发出的可见光波长为650纳米,表现为神奇的红光。何伦亚克认为,发光二极管是一种很有发展前途的新型电光源,因此他断言未来的照明及显示领域将是发光二极管的天下。
  何伦亚克不仅发明了发红光的二极管,而且还发明了可以调节光强的调光器,何伦亚克因此被誉为“可见光LED之父”,并获得了许多国家的科技大奖。无缘2014年诺贝尔物理学奖,令他自己与业内一些人士颇感不平。
  1963年,何伦亚克离开通用电气公司,出任其母校美国伊利诺大学电机工程系教授,此后发明了世界上第一个发红光的半导体激光器。这种激光器目前仍然是CD、DVD、激光打印机和复印机的关键部件。何伦亚克预测,未来的发光二极管将会发出其他波长的光,因此呈现出多种不同的颜色来。
  从人类第一个具有实用意义的红外发光二极管的诞生,到第一个红色可见光发光二极管的发明,新型半导体材料砷化镓都扮演了重要的角色。砷化镓是继硅半导体材料之后的又一个应用最为广泛的半导体材料,不仅是光电子器件的制造材料,而且在微电子技术方面也具有重要的应用。那么,你知道砷化镓具有哪些神奇的魔力吗?
  砷化镓最大的特点是具有很好的光电性能,即在光照或外加电场的条件下,电子激发可以释放出光能来,并且其光发射效率也要比其他半导体材料高一些,因此用作发光二极管的材料具有多方面的优势。与其他半导体材料一样,砷化镓对于杂质元素也是十分敏感的。因此,能否确保砷化镓准确的化学配比,将直接影响砷化镓材料的电学性能。此外,砷化镓在高温下容易分解,因此要制备出具有理想化学配比的高纯单晶材料,在技术和工艺上具有非常高的要求。在地面上制备的砷化镓单晶材料,由于受到地球重力的影响,产品存在着均匀性差、缺陷多、纯度低、不稳定等诸多缺陷。为此,我国曾在人造卫星上利用微重力条件,进行了砷化镓单晶的生长试验,使得制备出的砷化镓单晶没有杂质条纹、材料均匀性好、缺陷少,整体性能有很大的提高。
  磷化镓的“绿光缘”
  人类历史上第一个商用红光发光二极管,是采用镓、砷、磷3种元素组成的半导体材料制成的,因此又被称为三元素发光二极管。例如,在红光发光二极管中,是采用砷化镓作为基板,并以磷元素取代部分砷元素。与砷化镓一样,磷化镓同样在光电技术领域占有重要的地位。用磷化镓制成的发光二极管可以发出绿色的光,因此具有重要的应用价值。从理论上来说,采用三元素材料结构,可以生产出从红外光到绿色光范围内的任何波长的发光二极管。1972年,何伦亚克的学生克劳福德以磷化镓为基板开发出了世界上第一个发橙黄光的发光二极管,其亮度是何伦亚克发明的红光二极管的10倍,标志着发光二极管向着提高发光效率的方向迈出了坚实的一步。如何进一步提高发光二极管的发光效率,是当时科学家研究的重点之一。
  科学家发现,铝的引入有助于消除磷化镓和磷砷化镓的缺点,从而提高发光二极管的发光效率。由于铝的加入改善了与砷化镓基板的晶格匹配等多种原因,因而提高了其发光效率。在20世纪80年代,砷化铝镓的应用导致了第一代高亮度发光二极管的诞生。20世纪90年代初,四元素半导体材料磷化铝镓铟的采用,使得发光二极管的发光效率有了更大的提高。磷化铝镓铟属于直接带隙半导体,即可以直接复合把能量几乎全部以光的形式释放出来,因此具有很高的发光效率。用磷化铝镓铟制成的超高亮度红色、橙色、黄色和绿色发光二极管,可以应用于户外显示领域。
  “蓝色魔光”的召唤
  高效节能的LED能否用于普通照明呢?其关键取决于能否制造出白色发光二级管。然而,在可见光的光谱中是没有白色光的,因为白色光不是单色光,而是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等多种单色光合成的复合光。
  如果要使LED发出白光来,根据物理学的研究成果,至少需要两种单色光的混合,即通过二波长发光(蓝色光+黄色光)或三波长发光(蓝色光+绿色光+红色光)的模式才能得到白色光。这两种模式都需要蓝色光的参与,所以开发出能发蓝色光的发光二极管具有十分重要的意义。
  20世纪70年代,发光二极管已经出现了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色,一旦攻克蓝光二极管这个堡垒,白光半导体照明的新时代就有可能来临。
  其实在20世纪70年代初,世界范围内就已掀起了一场研究氮化镓的热潮,并寄希望利用它来开发出蓝光二极管。然而,根据当时的工艺技术水平,要制造出具有这种性能的LED几乎是不可能的,故到了20世纪70年代末,大多数科学家都放弃了该项研究。但是,日本名古屋大学教授赤崎勇在失败面前没有放弃对蓝光LED的研究,并最终为利用氮化镓材料制造蓝光二极管奠定了基础。1981年,他研制成功了PN接面的氮化镓发光二极管,不过其亮度很小。
  1982年,天野浩作为一名本科生加入到赤崎勇的研究小组,从此开始了蓝光LED材料的研究。赤崎勇和天野浩在名古屋大学合作进行的蓝光LED基础性研发取得了重要成就,并于1989年首次研发成功了蓝光LED。
  1988年,日本日亚公司的一名普通职员冒然闯进董事长的办公室,提出要开发氮化镓蓝光发光二极管,董事长当即决定资助他500万美元予以支持。这个普通职员就是中村修二,后来被人们誉为“蓝光发光二极管之父”。
  21世纪的“魔法石”
  一般的半导体发光二极管,多以Ⅲ~Ⅴ或Ⅱ~Ⅵ族半导体元素为材料。那为什么科学家要选择氮化镓半导体材料呢?原来,氮化镓这种无色透明晶体有立方晶系和六方晶系两种晶型,二者均为直接跃迁型能带,是Ⅲ~Ⅴ族半导体材料中最具有希望的宽禁带光学材料。
  在当时,活跃在蓝光二极管研究领域的科学家可谓是高手如云,中村修二这个不知天高地厚的毛头小伙能行吗?1989年,中村修二另辟蹊径,要走一条别人没有走过的道路。他在没有实验员和助手的条件下,采用独特的工艺技术路线,经过短短4年的时间就解决了蓝光二极管研究领域的两大材料制备工艺难题:一是高质量氮化镓薄膜的生长,另一个则是氮化镓空穴导电的调控。
  中村修二采用蓝宝石作为基板,并在基板上先长出一层以氮化镓为材料的缓冲层,以降低晶格不匹配的问题。1991年,他研制出第一个PN同质接面的发光二极管。1992年,他研制出高功率双异质接面氮化镓发光二极管。1993年,他终于发明了能够发蓝色光的发光二极管。1994年以后,他又陆续发明了蓝绿光及绿光发光二极管。到了1996年,蓝绿光发光二极管实现了商品化。1999年,他离开日亚公司进入美国加利福尼亚大学某分校任教授。此后,中村修二成为了世界关注的明星人物。中村修二作为当代半导体发光研究的主要代表人物,将载入人类固体照明的光荣史册。
  由于LED具有工作电压低、功率消耗低、色彩极丰富、价格极低廉以及对环境污染小等优点,因而受到了世界各国的广泛青睐。有科学家把氮化镓称为21世纪的“魔法石”,用其开发的蓝光二极管将在21 世纪的显示和照明领域扮演极其重要的角色。
  【责任编辑】庞 云
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