藍色LED研發為什麼跨越了30年?

2025年05月17日03:30:12 財經 7650

當我們看向手機或電腦屏幕上五彩斑斕的顏色時,我們知道顯示屏上面的顏色是由一個個微小的像素點組成的,而每一個單獨的像素點又由光的三原色(R-紅、G-綠、B-藍)的LED燈珠組成。但你是否知道藍色LED的研發難住了當時最頂級的科學家與工程師。紅光LED最早由美國的電氣工程師尼克·霍爾尼(Nick Holonyak Jr.)在1962年發明,到了70年代,仙童半導體公司在新技術與新材料的加持下將LED的發光光譜擴展到橙光、黃光和綠光,但藍色LED卻始終無法突破,即使能發光也只有微弱的藍光,完全無法用於商業應用,直到1993年才被一位名不見經傳的日本工程師——中村修二打破,同時也讓赤崎勇、天野浩和中村修二獲得了2014年的諾貝爾物理學獎。

LED發光原理

發光二極體核心是二極體的空穴和電子在電壓作用下從電極流向PN結。當空穴和電子相遇而產生複合,電子會跌落到較低的能階,同時以光的形式釋放出能量。如下所示:

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什麼決定了LED的發光顏色?

光的顏色由光子能量決定,而光子能量取決於半導體材料的能隙(Band Gap):

能隙大→高能量光子(藍/紫光)

能隙小→低能量光子(紅/黃光)

從下表我們可以看到從紅色到紫外半導體材料的能隙越來越大,並且這也基本對應了LED研發的順序。

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為什麼藍色LED難以製造?

1.材料選擇的挑戰

2.摻雜技術的瓶頸

p型摻雜的突破難題:

GaN天生傾向於n型導電(富電子),而LED需要p-n結髮光。直到1990年代,赤崎勇和天野浩團隊發現用鎂(Mg)摻雜並結合電子束激活,才能實現p型GaN,這一過程耗時多年。

3.短波長的物理限制

高能量需求:

藍光波長較短(~450納米),需要半導體材料的帶隙更寬(GaN的帶隙為3.4 eV)。大帶隙材料對純度、晶體質量要求極高,任何缺陷都會導致效率驟降。

4.技術積累的滯後

紅光LED(1960年代)和綠光LED(1970年代)的研發較早,而藍光LED直到1994年才由中村修二團隊(日亞化學)實現商業化。此前的幾十年中,科學家甚至認為GaN「不可能實用化」。

藍色LED的問世

3.1赤崎勇與天野浩的早期研究(1980年代)

日本名古屋大學的赤崎勇和天野浩團隊採用藍寶石(Al₂O₃)作為襯底,並通過低溫緩衝層技術(在藍寶石上先沉積一層AlN緩衝層)成功生長出高質量的GaN晶體。此外,他們發現鎂(Mg)摻雜結合電子束照射可以實現P型GaN,解決了PN結製備的關鍵問題。

3.2中村修二的商業化突破(1990年代)

在赤崎勇和天野浩的基礎上,當時在日亞化學(Nichia Corporation)工作的中村修二進一步優化了GaN生長工藝:

雙氣流MOCVD(金屬有機化學氣相沉積):提高了GaN薄膜的質量和均勻性。

InGaN(銦氮化鎵)量子阱結構:通過調節In組分,實現了高效率藍光發射。

熱退火技術:大幅提升P型GaN的導電性。

1993年,中村修二成功研製出高亮度藍色LED,並於1994年實現商業化生產。這一突破使得白光LED(藍光LED+黃色熒光粉)成為可能,徹底改變了照明行業。

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