蓝色LED研发为什么跨越了30年？

当我们看向手机或电脑屏幕上五彩斑斓的颜色时，我们知道显示屏上面的颜色是由一个个微小的像素点组成的，而每一个单独的像素点又由光的三原色（R-红、G-绿、B-蓝）的LED灯珠组成。但你是否知道蓝色LED的研发难住了当时顶级的科学家与工程师。红光LED最早由美国的电气工程师尼克·霍尔尼（Nick Holonyak Jr.）在1962年发明，到了70年代，仙童半导体公司在新技术与新材料的加持下将LED的发光光谱扩展到橙光、黄光和绿光，但蓝色LED却始终无法突破，即使能发光也只有微弱的蓝光，完全无法用于商业应用，直到1993年才被一位名不见经传的日本工程师——中村修二打破，同时也让赤崎勇、天野浩和中村修二获得了2014年的诺贝尔物理学奖。

LED发光原理

发光二极管核心是二极管的空穴和电子在电压作用下从电极流向PN结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光的形式释放出能量。如下所示：

什么决定了LED的发光颜色？

光的颜色由光子能量决定，而光子能量取决于半导体材料的能隙（Band Gap）：

能隙大高能量光子（蓝/紫光）

能隙小低能量光子（红/黄光）

从下表我们可以看到从红色到紫外半导体材料的能隙越来越大，并且这也基本对应了LED研发的顺序。

不同颜色LED的材料选择

为什么蓝色LED难以制造？

1.材料选择的挑战

合适的半导体材料稀缺：

红光和绿光LED早期使用磷化镓（GaP）等材料，但能产生高效蓝光的材料非常有限。最终，氮化镓（GaN）被确认为最佳选择，但它在当时技术下极难制备。

氮化镓的晶体生长难题：

GaN需要高温（约1000°C）和高压环境生长，且缺乏合适的衬底（基板材料）。常见的蓝宝石衬底与GaN晶格不匹配，导致晶体缺陷多，效率低下。

2.掺杂技术的瓶颈

p型掺杂的突破难题：

GaN天生倾向于n型导电（富电子），而LED需要p-n结发光。直到1990年代，赤崎勇和天野浩团队发现用镁（Mg）掺杂并结合电子束激活，才能实现p型GaN，这一过程耗时多年。

3.短波长的物理限制

高能量需求：

蓝光波长较短（~450纳米），需要半导体材料的带隙更宽（GaN的带隙为3.4 eV）。大带隙材料对纯度、晶体质量要求极高，任何缺陷都会导致效率骤降。

4.技术积累的滞后

红光LED（1960年代）和绿光LED（1970年代）的研发较早，而蓝光LED直到1994年才由中村修二团队（日亚化学）实现商业化。此前的几十年中，科学家甚至认为GaN“不可能实用化”。

蓝色LED的问世

3.1赤崎勇与天野浩的早期研究（1980年代）

日本名古屋大学的赤崎勇和天野浩团队采用蓝宝石（Al₂O₃）作为衬底，并通过低温缓冲层技术（在蓝宝石上先沉积一层AlN缓冲层）成功生长出高质量的GaN晶体。此外，他们发现镁（Mg）掺杂结合电子束照射可以实现P型GaN，解决了PN结制备的关键问题。

3.2中村修二的商业化突破（1990年代）

在赤崎勇和天野浩的基础上，当时在日亚化学（Nichia Corporation）工作的中村修二进一步优化了GaN生长工艺：

双气流MOCVD（金属有机化学气相沉积）：提高了GaN薄膜的质量和均匀性。

InGaN（铟氮化镓）量子阱结构：通过调节In组分，实现了高效率蓝光发射。

热退火技术：大幅提升P型GaN的导电性。

1993年，中村修二成功研制出高亮度蓝色LED，并于1994年实现商业化生产。这一突破使得白光LED（蓝光LED+黄色荧光粉）成为可能，彻底改变了照明行业。