瑞典皇家科學(xué)院于當(dāng)?shù)貢r間2014年10月7日揭曉諾貝爾物理學(xué)獎，日本科學(xué)家赤崎勇(I.Akasaki) 、天野浩( H.Amano) 和美籍日裔科學(xué)家中村修二( S.Nakamura) 獲此殊榮，分享總額為800 萬瑞典克朗的獎金，以表彰他們發(fā)明了藍色發(fā)光二極管( LED)。這是繼2009年“半導(dǎo)體成像器件電荷耦合器件”( CCD) 獲獎后又一個“發(fā)明類”諾貝爾物理學(xué)獎。與其它獲得諾獎的高精尖發(fā)明相比，藍色發(fā)光LED似乎并不起眼，其芯片只有芝麻大小，LED燈在生活中卻幾乎隨處可見，而且價格低廉。20多年前，當(dāng)Gan藍色發(fā)光二極管第一次閃耀時，這項將對全人類的福祉作出重大貢獻的發(fā)明引起了整個科學(xué)界的震動。在寬禁帶半導(dǎo)體研究領(lǐng)域，國內(nèi)外的同行們期待LED贏取諾獎已經(jīng)很多年了。

 

（左起）赤崎勇、天野浩、中村修二

 

　　LED是英文Light-Emitting Diode的縮寫，中文稱之為發(fā)光二極管，是一種能將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體元件。發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)是p-n結(jié)，由兩種不同極性的半導(dǎo)體材料組成，其中一種是p型半導(dǎo)體，另一種是n型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體也稱為空穴型半導(dǎo)體，即空穴濃度遠大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。在p型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導(dǎo)電。空穴主要由雜質(zhì)原子提供，自由電子由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子( 空穴) 的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強。n型半導(dǎo)體也稱為電子型半導(dǎo)體，即自由電子濃度遠大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。LED也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)加上正向電壓后，從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴和由n區(qū)注入到p區(qū)的電子，在p-n結(jié)附近數(shù)微米的范圍內(nèi)分別與n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。發(fā)射光子的能量近似為半導(dǎo)體的禁帶寬度，即導(dǎo)帶與價帶之間的帶隙能量。禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個重要特征參量，其大小主要決定于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子的結(jié)合性質(zhì)等有關(guān)。原子對價電子束縛得越緊，化合物半導(dǎo)體的價鍵極性越強，則禁帶寬度越大。Si、砷化鎵( GaAs) 和氮化鎵(GaN) 的禁帶寬度在室溫下分別為1.24 eV、1. 42eV 和3.40 eV。半導(dǎo)體材料的發(fā)光波長受制于禁帶寬度，兩者之間的關(guān)系為發(fā)光波長( nm) = 1240 /禁帶寬度(eV)因此，要實現(xiàn)波長為460 nm 的藍色發(fā)光需要禁帶寬度為2.7 eV 以上的寬禁帶半導(dǎo)體，比如GaN。這是研究GaN以實現(xiàn)藍光LED最根本的物理原因。

 

　　固體電致發(fā)光的早期研究

 

　　早在固體材料電子結(jié)構(gòu)理論建立之前，固體電致發(fā)光的研究就已經(jīng)開始。最早的相關(guān)報道可以追溯到上世紀(jì)初的1907年。就職于Marconi Electronics的H.J.ＲounD在SiC 晶體的兩個觸點間施加電壓，在低電壓時觀察到黃光，隨電壓增加則觀察到更多顏色的光。前蘇聯(lián)的器件物理學(xué)家O.Losev( 1903—1942) 在1920 和1930年代在國際刊物上發(fā)表了數(shù)篇有關(guān)SiC 電致發(fā)光的論文。

 

　　1940年代半導(dǎo)體物理和p-n結(jié)的研究蓬勃發(fā)展，1947年在美國貝爾電話實驗室誕生了晶體管。Shockley，BardeenanDBrattain共獲1956年的諾貝爾物理獎。人們開始意識到p-n結(jié)能夠用于發(fā)光器件。1951年美國陸軍信號工程實驗室的K.Lehovec等人據(jù)此解釋了SiC的電致發(fā)光現(xiàn)象: 載流子注入結(jié)區(qū)后電子和空穴復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光。然而，實測的光子能量要低于SiC 的帶隙能量，他們認為此復(fù)合過程可能是雜質(zhì)或晶格缺陷主導(dǎo)的過程。1955年和1956年，貝爾電話實驗室的J.Ｒ.Haynes 證實在鍺和硅中觀察到的電致發(fā)光是源于p-n結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合。

 

　　1957年，H.Kroemer預(yù)言異質(zhì)結(jié)有著比同質(zhì)結(jié)更高的注入效率，同時對異質(zhì)結(jié)在太陽能電池中的應(yīng)用提出了許多設(shè)想。1960年Ｒ.L.Anderson第一次制成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，并提出系統(tǒng)的理論模型和能帶圖。1963年Z.I.Alferov 和H.Kroemer各自獨立地提出基于異質(zhì)結(jié)的激光器的概念，指出利用異質(zhì)結(jié)的超注入特性實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的可行性，并且特別指出同質(zhì)結(jié)激光器不可能在室溫下連續(xù)工作。

 

　　經(jīng)過堅持不懈的努力，1969年異質(zhì)結(jié)激光器終于實現(xiàn)室溫連續(xù)工作，這構(gòu)成了現(xiàn)代光電子學(xué)的基礎(chǔ)。

 

　　H.Kroemer 和Z.I.Alferov 因發(fā)明異質(zhì)結(jié)晶體管和激光二極管( LD) 所做出的奠基性貢獻，獲得了2000年的諾貝爾物理學(xué)獎。

 

　　之后，GaAs 倍受關(guān)注，基于GaAs 的p-n結(jié)的制備技術(shù)迅速發(fā)展。GaAs 是直接帶隙半導(dǎo)體材料，電子與空穴的復(fù)合不需要聲子的參與，非常適合于制作發(fā)光器件。GaAs 的帶隙為1.4 eV，相應(yīng)發(fā)光波長在紅外區(qū)。1962年夏天觀察到了p-n結(jié)的發(fā)光。數(shù)月后，3 個研究組獨立且?guī)缀跬瑫r實現(xiàn)了液氮溫度下( 77 K) GaAs 的激光，他們分別是通用電氣，IBM 和MIT 林肯實驗室。異質(zhì)結(jié)及后來的量子阱，能夠更好地限制載流子，提高激光二極管的工作性能。室溫下連續(xù)工作的LD被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

 

　　第一只LED是1962年由Holonyak等人利用GaAsp材料制得的紅光LED，1968年因為其長壽命、抗電擊、抗震而作為指示燈實現(xiàn)了商業(yè)化。1970年代，隨著材料生長和器件制備技術(shù)的改進，LED的顏色從紅光擴展到黃綠光。1980年代，AlGaAs新材料的生長技術(shù)的發(fā)展，高質(zhì)量AlGaAs / GaAs 量子阱得以應(yīng)用于LED結(jié)構(gòu)中，載流子在量子阱中的限制效應(yīng)大大地提高了LED的發(fā)光效率。90年代，四元系A(chǔ)lGaInp/GaAs 晶格匹配材料的使用，使得LED的發(fā)光效率提高到幾十lm/W。美國惠普公司利用截角倒金字塔( TIP) 管芯結(jié)構(gòu)得到的桔紅光的效率達到100 lm/ W。

 

　　藍色發(fā)光LEDs的早期研究

 

　　藍色發(fā)光LED的研究更為漫長和曲折。起初人們嘗試研究間接帶隙的碳化硅( SiC) 和直接帶隙的硒化鋅( ZnSe) ，都沒能實現(xiàn)高效發(fā)光。1950s后期，Philips Ｒesearch實驗室已經(jīng)開始認真研究基于GaN的新發(fā)光技術(shù)的可行性，盡管那時Gan的帶隙才剛剛被測定。H.G.Grimmeiss 和H.Koelmans 用不同的活化劑，實現(xiàn)了基于Gan的寬光譜高效光致發(fā)光，據(jù)此申請了一項專利。然而，當(dāng)時Gan晶體的生長非常難，只能得到粉末狀的小晶粒，根本無法制備p-n結(jié)。Philips 的研究者放棄了Gan的研究，決定還是集中力量研究Gap體系。

 

　　1960s后期，美國、日本和歐洲的數(shù)個實驗室，均在研究Gan的生長和摻雜技術(shù)。1969年，Maruska和Tietjen首先用化學(xué)氣相沉積( Chemical Vapor phase Deposition) 的方法在藍寶石襯底上制得大面積的Gan薄膜，這種方法是用HCl 氣體與金屬Ga 在高溫下反應(yīng)生成GaCl，然后再與NH3反應(yīng)生成GaN，這種方法的生長速率很快( 可達到0.5 μm/min) ，可以得到很厚的薄膜，但由此得到的外延晶體有較高的本底n型載流子濃度，一般為1019cm -3 。

 

　　1971年美國ＲCA實驗室的Pankove研究發(fā)現(xiàn)了氮化物材料中形成高效藍色發(fā)光中心的雜質(zhì)原子，并研制出MIS( 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體) 結(jié)構(gòu)的GaN藍光LED器件，這就是全球最先誕生的藍色LED。但是限于當(dāng)時的生長技術(shù)，難于長出高質(zhì)量的Gan薄膜材料，同時p型摻雜也未能解決，因此外部量子效率只有0.1%，看不到應(yīng)用的前景。藍色發(fā)光二極管成為橫在科學(xué)家面前的難題。Gan熔點高，缺乏匹配襯底，Gan晶體生長十分困難，而且能隙比ZnSe大，因此p型摻雜被認為是難上加難。所以大多數(shù)研究人員都放棄了Gan的研究，或者轉(zhuǎn)戰(zhàn)ZnSe。Gan研究陷于較長時間的停滯期。

 

　　艱難的探索

 

　　人類對III族氮化物的研究可以追溯到八十多年前，首先是在1932年， Johnson等人利用金屬Ga和氨氣反應(yīng)，制備合成了Gan的粉末。但此后Gan的研究一直處于停滯階段。在曠日持久的艱難跋涉中，許多人看不到希望而放棄了努力，現(xiàn)年85歲的赤崎勇是少數(shù)的孤行者，奮斗了幾十年，在持久的探索中找到了一條通向光明的路。

 

　　赤崎勇早年畢業(yè)于京都大學(xué)，1952年入職神戶工業(yè)公司，該公司以重視科學(xué)研究著稱。當(dāng)時，江崎也在該公司從事科研工作，1973年江崎因在半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)電子的量子隧穿效應(yīng)獲得諾貝爾物理學(xué)獎。受其影響，赤崎勇也將主要精力投入到了半導(dǎo)體研究。1959年，赤崎勇進入名古屋大學(xué)工作，1964年獲得該校博士學(xué)位。1981年至1992年任名古屋大學(xué)教授。1992年，轉(zhuǎn)到名城大學(xué)擔(dān)任教授至今。

 

　　適合藍色發(fā)光的寬禁帶半導(dǎo)體材料有碳化硅( SiC) 、硒化鋅( ZnSe) 和GaN。1960年代，致力于藍色發(fā)光器件研究的人員大多都以這3種材料為研究對象。在當(dāng)時只有SiC就實現(xiàn)了p-n結(jié)，成為研究重點。而SiC為間接帶隙半導(dǎo)體，難以實現(xiàn)高效發(fā)光，更無法制成半導(dǎo)體激光器。ZnSe和Gan雖然都是直接帶隙材料，但晶體生長非常困難，而且都沒有形成p型摻雜。

 

　　赤崎早在1966年前后就對藍色LED和藍色半導(dǎo)體激光器的開發(fā)持有強烈意愿。當(dāng)時他就職于松下電器東京研究所( 后更名為松下技研) ，主要從事氮化鋁(AlN) 和砷化鎵( GaAs) 的晶體生長及特性研究。1970年代，美國ＲCA公司和荷蘭飛利浦公司的同仁先后放棄氮化鎵研究，赤崎卻迎難而上，于1973年正式開始Gan藍色發(fā)光器件的研究。“我也知道Gan的p-n結(jié)和藍色發(fā)光器件非常難以實現(xiàn)。但既然反正都要做，就決定挑戰(zhàn)一下比較難的GaN。”他立下的目標(biāo)是實現(xiàn)p型摻雜，實現(xiàn)亮度更高的藍色LED和藍色半導(dǎo)體激光器，將此挑戰(zhàn)作為畢生的事業(yè)。

 

　　1974年，赤崎的研究小組利用舊的真空蒸鍍裝置改造拼湊了MBE( 分子束外延生長) 裝置，長出了不太均勻的Gan薄膜。第二年，赤崎提交的“關(guān)于藍色發(fā)光元件的應(yīng)用研究”申請獲得日本通商產(chǎn)業(yè)省的起為期3年的資助。赤崎用這筆資金購置了新的MBE 裝置繼續(xù)進行實驗，但Gan薄膜的質(zhì)量并沒有得到提高。隨后他們又嘗試了HVPE( 氫化物氣相外延) 法，進展仍然不盡如人意。赤崎認識到: 由于氮氣的蒸汽壓極高，采用超高真空的MBE 法并不是最適合Gan的生長，而HVPE法的生長速度過快，而且伴隨部分逆反應(yīng)，晶體質(zhì)量較差。MOCVD( 有機金屬化學(xué)氣相沉積) 的生長速度介于MBE 法和HVPE法之間，最適合Gan生長。于是在1979年赤崎決定采用MOCVD法研究Gan的生長。在襯底選擇上，赤崎綜合考慮晶體的對稱性、物理性質(zhì)的匹配、對高溫生長條件的耐受性等因素，經(jīng)過一年多實驗，在對Si、GaAs 和藍寶石等進行反復(fù)對比研究后，決定使用藍寶石作為外延襯底。同時，赤崎做出的這兩項決定，即采用MOCVD生長法和藍寶石作為外延襯底，無疑是重要的關(guān)鍵的決定，至今仍然被廣泛采用。

 

　　隨后，赤崎研制的MIS 型藍色LED開始樣品供貨。在Gan研究取得突破的前夜，1981年赤崎離開松下技研到名古屋大學(xué)擔(dān)任教授。名古屋大學(xué)素以堅持學(xué)術(shù)自由而著稱。為支持赤崎勇開展化合物半導(dǎo)體研究，名古屋大學(xué)專門建造了一間超凈實驗室。為回報名古屋大學(xué)，赤崎勇將研究室變成了一座“不夜城”。從此，這里成為赤崎研發(fā)Gan藍色發(fā)光器件的中心舞臺。

 

　　當(dāng)時最尖端的MOCVD裝置不但價格昂貴，高達數(shù)千萬日元，而且沒有用于生長Gan的商用設(shè)備。赤崎研究室每年的研究經(jīng)費約為300萬日元，捉襟見肘，他們只能自己動手，靠購買零部件，利用舊的加熱用振蕩器，企業(yè)捐贈的60cm的石英管等組裝完成了MOCVD裝置，但優(yōu)質(zhì)Gan薄膜的生長并不順利。1983年天野浩從名古屋大學(xué)工學(xué)部本科畢業(yè)后，幸運成為赤崎勇的碩士研究生。在兩年的時間里，除了新年這天，天野不分晝夜，每天都在做GaN生長實驗。對襯底溫度、反應(yīng)室真空度、反應(yīng)氣體流量、生長時間等條件反復(fù)進行調(diào)整，做了1500多次實驗，但依然沒有生長出好的Gan薄膜。

 

　　借助了MOCVD和藍寶石襯底還是沒有成功，一直困擾赤崎的難題依然沒有解決。他開始意識到: 藍寶石襯底與Gan晶體之間的晶格常數(shù)失配，相差高達16%，熱膨脹系數(shù)也相差較大，這是造成晶體質(zhì)量差的原因。他想到了以前在GaAsp和GaAs襯底上異質(zhì)外延GaInAsp時采用過的緩沖層方法。

 

　　“為了解決晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配造成的困難，我覺得需要在藍寶石襯底與Gan之間插入某種柔性的極薄緩沖層，而此中間層材料的特性最好與藍寶石或Gan相似。“赤崎選中了AlN、GaN、SiC 和ZnO 四種材料，因為從1965年開始就研究Aln的晶體生長和光學(xué)特性，他對Aln最為熟悉。所以，最先開始了用Aln作為緩沖層材料的實驗。

 

　　1985年的一天，如同往常生長Gan一樣，天野把MOCVD的爐內(nèi)溫度提高到1000℃ 以上的生長溫度。這時，碰巧爐子出了問題，溫度只達到700 ～800℃左右，無法生長Gan薄膜。但此時天野的腦海里冒出了“加入Al也許能提高晶體質(zhì)量”的念頭。于是，天野在藍寶石襯底上試著生長Aln薄膜。在這一過程中爐子恢復(fù)了正常，天野又將爐溫提高到1000℃繼續(xù)生長Gan薄膜。后來樣品經(jīng)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)生長出了均勻的Gan薄膜。歪打正著成就了低溫生長Aln緩沖層技術(shù)，這是發(fā)明藍光LED的突破性技術(shù)之一，此成果于1986年發(fā)表在應(yīng)用物理快報上，天野為第一作者，赤崎名列第三。

 

　　無巧不成書，另一項重大突破———p型Gan摻雜的實現(xiàn)也是偶然被天野所發(fā)現(xiàn)。

 

　　生長出優(yōu)質(zhì)Gan薄膜后，他們自然把重點放在了p型摻雜的研究上。天野選擇鋅( Zn) 和鎂( Mg)作為受主，摻雜到Gan薄膜中，但嘗試了多次始終沒有實現(xiàn)p型摻雜。當(dāng)時正在攻讀博士的天野去NTT 進行了為期1 個月左右的實習(xí)，他用電子顯微鏡觀察摻Zn的Gan薄膜表面，意外發(fā)現(xiàn)在反復(fù)的量測后樣品發(fā)出了極為微弱的熒光。天野認為摻Zn的Gan薄膜的導(dǎo)電特性發(fā)生了變化，可是經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)并沒有形成p型。就在天野覺得Gan薄膜可能真的無法實現(xiàn)p摻雜而決定放棄時，他看到了一本教科書，書中說Mg 是比Zn更容易實現(xiàn)p型的受主。于是，天野把Gan薄膜中摻雜的受主由Zn換成Mg，再次進行電子顯微鏡觀察。果然，摻Mg 的Gan薄膜變成了p型。赤崎勇教授與天野浩如獲至寶，將其發(fā)現(xiàn)發(fā)表在日本應(yīng)用物理期刊上，并提出了一套物理機制來解釋他們的發(fā)現(xiàn)，認為是低能電子束輻照( LEEBI) 的作用實現(xiàn)了GaN: Mg 薄膜的p型導(dǎo)電。現(xiàn)在我們知道當(dāng)初師生倆所提出的物理機制是錯誤的，但此發(fā)現(xiàn)卻造成了科學(xué)界的轟動。Gan的p型摻雜成為發(fā)明藍光LED的另一項重大突破。正可謂: 眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。

 

　　赤崎和天野的研究小組很快于1989年在全球首次研制出了p-n結(jié)藍色LED。

 

　　同時，就在Gan藍光LED探索發(fā)展的關(guān)鍵時期，中村修二以一匹黑馬的姿態(tài)躍上舞臺。他憑著“作別人不做的題目才有最大的發(fā)展機會”的想法，選擇研究氮化鎵。在上世紀(jì)80年代初很少人關(guān)注氮化鎵，作此選擇無異于一場豪賭。中村修二自1979年加入日亞化工，這是一個一切以產(chǎn)品銷售為導(dǎo)向的小公司。身為小技術(shù)員，默默無聞的中村在地下室獨自一人悄悄搗騰藍光二極管。他在研究上的突破不被重視，被稱為“吃白飯的”，“上司每次見到我都會說，你怎么還沒有辭職? 把我氣得發(fā)抖。”中村回憶道。經(jīng)過數(shù)年努力，中村于1992年第一次利用了InGan/Gan周期量子阱結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)的p-i-n結(jié)構(gòu)，大幅度地提高了藍光LED的發(fā)光效率。

 

　　他還發(fā)展了外延技術(shù)，用低溫生長的薄層Gan替換Aln作為緩沖層。同時中村等人為了解開p型Gan的謎團做了一系列的實驗，發(fā)現(xiàn)電子束對于p型激活的作用只可能來自于熱激活和高能電子的轟擊兩種因素。因此，他們將GaN: Mg 樣品放入700℃以上的N2和NH3氣氛下退火，實驗發(fā)現(xiàn)都成功實現(xiàn)穩(wěn)定的p型GaN。證明熱處理( 退火) 能有效激活摻雜的Mg 受主。至此，p型Gan的難題得以突破。

 

　　在1993年實現(xiàn)了藍光LED的量產(chǎn)。所以，中村對發(fā)明藍光LED和使其走出實驗室，走進千家萬戶都做出重要貢獻，并且他在相當(dāng)長的一段時間里引領(lǐng)著Gan基LED和LD的研究。

 

　　發(fā)明一經(jīng)問世，日亞便以公司的名義申請了專利，并開始大量生產(chǎn)出售藍色發(fā)光二極管，搖身一變成為世界最大的LED公司。發(fā)明人中村修二獲得的全部獎勵只是區(qū)區(qū)兩萬日元( 約合人民幣1141 元) 的獎金，海外同仁笑他“奴隸中村”。“當(dāng)我們飛到日本時，發(fā)現(xiàn)中村修二在地下室做實驗，職位只是一個技術(shù)員，我知道這就是我們的機會。”美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校時任校長楊祖佑說。1999年應(yīng)這位華裔楊校長之邀請，中村離開日亞公司遠赴美國，到該校擔(dān)任教授，隨后加入美國籍。怒氣難消的中村于2000年把老東家日亞公司告上法庭，驚動日本社會，也成為了專利訴訟教材的典型案例。起訴要求日亞化工確認藍光LED專利的所有權(quán)并支付專利轉(zhuǎn)讓費200 億日元。最終法院裁決日亞化工應(yīng)當(dāng)支付給中村修二200億日元，但日亞化工不服裁決并向高等法院提起上訴，經(jīng)過4年時間的拉鋸戰(zhàn)，2005年1月日本東京高等法院最終裁定日亞化工向中村修二償付8.4 億日元。

 

　　赤崎和天野的研究組和中村還先后在1995年和1996年實現(xiàn)了基于Gan的藍光激光器。

 

　　在新世紀(jì)來臨之際，全世界出現(xiàn)了Gan研究和開發(fā)的熱潮，Gan藍光LED等器件的研究和產(chǎn)業(yè)化得以蓬勃發(fā)展。

 

 

　　Gan藍光和更短波長LED的發(fā)明使得固體白光光源成為可能。1997年，Schlotter 等人和中村等人先后發(fā)明了用藍光LED管芯加黃光YAG熒光粉實現(xiàn)白光LED。2001年Kafmann等人用UVLED激發(fā)三基色熒光粉得到白光LED。國際上迅即出現(xiàn)高效白光LED的研究和產(chǎn)業(yè)化的競爭，并持續(xù)至今。發(fā)光效率不斷被提高，目前已經(jīng)超過300lm/W( lm: 流明，表征光通量的單位) ，電光轉(zhuǎn)換率達50%以上。相比之下，節(jié)能燈的發(fā)光效率通常只有70 lm/W 左右。同時，各發(fā)達國家先后制定了基于固態(tài)照明的國家級研究項目。如日本的《21 世紀(jì)照明技術(shù)》( The light for 21st century) ，美國能源部設(shè)立了“固態(tài)照明國家研究項目”( Nationalresearch program onsoliDstate lighting) ，共有13 個國家重點實驗室、公司和大學(xué)參加，由國家能源部、國防先進研究計劃總署和光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會聯(lián)合資助執(zhí)行。歐共體設(shè)立了“彩虹”計劃( Ｒainbow projectAlInGanfor multicolorsources ) ，2003年6 月，中國政府正式設(shè)立了“國家半導(dǎo)體照明工程項目”的國家級計劃。

 

　　今天中國已經(jīng)成為全球最大的照明產(chǎn)品生產(chǎn)、消費和出口國，國內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)快速增長，2013年規(guī)模超2600億元，對LED的推廣做出了很大的貢獻。

 

　　人類對光明的追求是自身的本能。LED節(jié)能、環(huán)保和高效是人類夢寐以求的理想光源。LED正在帶動一場新的照明革命，造福全人類。LED燈壽命長達10萬小時，而白熾燈僅有1000個小時，熒光燈為1000 小時，因此LED燈的使用可以大大節(jié)約資源。LED是冷光源，沒有不可見的紅外和紫外光，耗能僅僅是白熾燈耗能的1/8。我們不妨估算一下，2013年全國發(fā)電量為53223億千瓦時，其中1/5為照明所消耗，即約1萬億千瓦時。假設(shè)其中一半為白熾燈所消耗，計5千億千瓦時。如果用LED取代白熾燈，將節(jié)約電能4千億千瓦時，相當(dāng)于4個三峽電站的年發(fā)電量。LED節(jié)能的效益是何等驚人!

 

　　目前全世界享受不到電網(wǎng)供電的人口超過15億，低能耗的LED特別適合于由太陽能供電，可望為黑暗中的人們送去光明，改善他們的生活。

 

　　2008年北京奧運會前夕，北京大學(xué)舉辦《寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件》國際暑期學(xué)校，天野是主講老師之一。他應(yīng)邀專程來中國，分別于8月4日和5日講解了《非極性、半極性氮化物生長與器件》，《氮化物紫外LED和LD關(guān)鍵技術(shù)研究》。幾天后，在奧運會的開幕式上，成千上萬個LED組成的奧運五環(huán)在北京美麗的夜空冉冉升起，在全世界億萬觀眾的矚目中驚艷亮相，璀璨奪目，久久刻印在人們的腦海里。國內(nèi)外同行都說那是LED最好的一次展示。

 

　　自上世紀(jì)80年代開始，經(jīng)過赤崎勇、天野浩和中村修二等一大批包括中國的科技工作者的努力，Gan技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展，Gan逐步成為繼鍺硅、GeAs 等材料后最重要的第三代半導(dǎo)體材料體系。LED照明在過去10 多年間已形成龐大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，目前正由光效驅(qū)動向成本和品質(zhì)驅(qū)動轉(zhuǎn)變，智能照明、超越照明發(fā)展迅速。然而在LED為代表的Gan光電子器件迅猛發(fā)展的同時，Gan電子器件發(fā)展的大門才剛剛開啟。Gan基微波功率器件已取得一系列關(guān)鍵性突破，開始在軍用雷達上應(yīng)用，很快也將在移動通訊基站上大規(guī)模應(yīng)用，現(xiàn)今的工作主要是提升器件的可靠性和高頻特性。Gan基電力電子器件正在成為新的研發(fā)熱點，市場巨大，未來產(chǎn)業(yè)有可能與LED照明并駕齊驅(qū)。

 

　　Gan材料和器件仍然面臨一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題有待攻克。比如，Gan體材料晶體的實現(xiàn)還在艱難的探索之中。正如中村所說，我們很幸運，還有許多困難有待我們?nèi)タ朔＝裉欤ｑ笾甑某嗥橛陆K于笑到了最后，天野浩和中村修二正年富力強，仍然在孜孜不倦的工作。迄今，天野署名發(fā)表的有關(guān)Gan研究方面的科技論文有475 篇，中村則有548 篇，并擁有上百項發(fā)明專利。

 

　　LED芯片小如芝麻，然而，小小的LED正在照亮我們的世界。