為什么一顆小小的LED燈泡值得諾貝爾獎呢？

差評君

中村修二，日裔美籍電子工程學家，美國加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校工程學院材料系教授。

紅綠藍三種顏色的發光二極管（LED），為了集齊這三種顏色，人類花費了32年的研發時間，而藍色LED的發明者還因此獲得了2014年的諾貝爾物理學獎。現在LED已經是隨處可見了，從你的手機、電腦到一切能發亮的電子產品，幾乎都離不開LED。在LED誕生前，最早家庭用的是拉繩開關的白熾燈，也叫鎢絲燈，再之后是教室常用的熒光燈，后來才慢慢用上LED。

白熾燈是19世紀最偉大的發明之一，但它是用電流燒熱了鎢絲，激發出光，所以在使用過程中只有10%的電能轉化成了光，其他大量的電能以熱量的形式被損耗掉，而且鎢絲的壽命很短，大概只有1000小時，這就是白熾燈泡“憋了”的原因。而熒光燈是用高電壓先將燈管里面的水銀蒸氣電離，激發出紫外光，紫外光再激發涂抹在燈管內壁上的熒光粉，發出白光的可見光。這種發光方式比白熾燈效率提高了大約3倍。但熒光燈含有有毒的汞，而且頻繁開關會顯著老化，時間久了熒光燈管的兩端會出現黑色印記，而且還會閃爍。所以它們在效率和使用壽命上都不是很理想的照明工具。于是在20世紀下半葉，人類就執著于解決照明的三個問題：亮度、能耗以及光源的耐用性。

LED的發展

1961年美國得克薩斯州儀器公司的兩名員工，加里·皮特曼和詹姆斯·比亞德在嘗試制造激光二極管時，意外做出了發光二極管。這種特殊的半導體被稱作LED。第一批LED發出的光是人眼不可見的紅外光，但這項技術在遙控領域卻發揮了重要作用，現在家里的電視、空調的遙控器，還在用紅外LED。

尼克·霍倫亞克

1962年美國通用電氣公司的研究員尼克·霍倫亞克改進了紅外二極管，LED終于能發出可見的紅光了。因為紅光很顯眼，省電且經久耐用，壽命長達10萬小時。于是這項技術立刻成就了當時幾乎所有電器里都有的指示燈，也包括大量電子產品的顯示屏幕，比如收音機、計算器、電子表等等。剛開始的紅色LED燈很昂貴，每個燈泡大概要200美元，在隨后的十多年，橙色、黃色、綠色的LED也被相繼發明，價格也隨之降低。但唯獨一個顏色始終沒有出現，那就是藍色LED。

為什么藍色那么重要呢？因為只有將紅綠藍三原色集齊，才能發出最重要的顏色——白光。白光的重要性不言而喻，人眼最習慣的光照是太陽光，而太陽光本身就是一種幾乎全光譜的白光，可以被分成七種顏色的可見光，所以顏色越接近太陽光，人眼對顏色的感覺就越自然。

有了白光LED，就有了LED照明燈，LED背光液晶顯示器，LED全色顯示點陣等等，讓LED從紅綠色的小指示燈和數碼顯像管走向了真正意義上的通用光源。雖然早期在沒有藍色LED的情況下，人們依舊可以用顯像管、等離子等技術來顯示彩色，甚至早期的液晶顯示器用冷陰極熒光燈做背光也能實現彩色顯示，但有了藍光LED，顯示技術在能效、壽命、顯示質量上都有了革命性的改變。現在幾乎所有的電子產品屏幕，都在用LED來做背光源，同時藍光LED還推動了有機發光半導體（OLED）等新顯示技術的發展。

藍色LED的發明

為什么藍光就那么難被發明？因為LED是由多層正負半導體材料組成的，為了實現特定的顏色和亮度，需要將特殊的半導體化合物以不同的比例混合在一起，以產生不同波長的顏色。這就像是一道美食的“絕密配方”，比如摻入砷化鎵就會讓LED發紅光，摻入磷化鎵會讓LED發出綠光，摻入碳化硅會讓LED發黃光等等。

而因為紅光綠光波長較長，蘊含能量較少，半導體結構容易實現，所以更容易激發出來；而藍光波長較短，自身蘊含的能量較大，激發出來的難度要大得多。所以發光二極管的發明順序，幾乎就是按照“赤橙黃綠青藍紫”的順序由易到難一個個實現的。

最早開發出藍色LED的是美國無線電公司，公司實驗室的材料學博士赫伯特·馬魯斯卡用氮化鎵和鎂摻雜，來制造藍色LED。但造出來的燈泡亮度太低，基本沒有什么使用價值。后來貝爾實驗室和松下公司也嘗試使用氮化鎵來制造藍色LED，也都失敗了。直到80年代末，距離發明紅色LED已經過去快30年了，人類卻一直沒辦法制造出可以實用的藍光LED。以至于最后他們得出結論：氮化鎵這玩意不太可能制造出可用的藍色LED。

1986年名古屋大學的赤崎勇和他的學生天野浩在藍寶石襯底上，涂上一層氮化鋁材料，并在上面生長出氮化鎵晶體。他們在無意間注意到，用掃描電鏡觀察晶體時，晶體的發光強度似乎增強了。兩人于是通過高能電子束照射晶體，成功制造出了能發出藍光的氮化鎵結晶。但這個過程非常復雜，且成本高昂，幾乎不太可能商用，但至少這個結果讓氮化物的研究又有了希望。

直到1993年，在一個叫日亞化學的小公司里，一位名叫中村修二的研究員最終制造出了藍色LED。在這之前，中村一直是公司里最底層的一個研究員，負責給公司開發新產品。當時大部分公司都在使用商用設備來制造LED，但日亞公司給的預算很少，從搭建儀器設備到焊管子吹玻璃，所有研發工作一切都靠中村自己。據說他的實驗室里每個月都會發生爆炸，同事們只要聽到一聲巨響，就知道又是中村在加工石英管了，就這樣過了10年。

中村堅持一條被其他同行認為是死胡同的路線——氮化鎵。當然他并不是覺得氮化鎵能成功，而是覺得用氮化鎵這種不太有前景的材料來寫自己的博士畢業論文，好像更容易發表。所以為了不延期畢業，中村硬著頭皮研究了好些年。他甚至說服了日亞公司拿出5億日元（約2400萬人民幣）來購買制造氮化鎵的設備，自己還跑到佛羅里達大學進修了一年。

事實證明這些錢沒白花，中村后來仔細研究了赤崎勇和天野浩的制備方式，覺得他們忽略了一個重要的細節：掃描電鏡在測量氮化鎵的時候，實際上也是對樣品進行了加熱，也許溫度升高才是導致氮化鎵輻射藍光能力增強的原因。沿著這個思路，中村改進了晶體制備方式和工藝，用熱退火替代了高能電子束，又在已有的氮化鎵結構里摻入了鋁和銦等元素。終于在1993年，中村制備出能發射高亮度藍光的氮化鎵，并公開了他們制造的藍光LED，這顆燈泡比過去的藍光LED要亮一百倍，而且顏色也非常鮮艷。

OLED屏幕在小尺寸屏幕設備如手機、平板電腦上的應用較為廣泛，而大尺寸的電視領域仍是例外，這是由于顯示面板的制造方法精細而復雜。

于是日亞公司開始量產這種藍光LED，并在之后的數年里賺了幾千億日元，成了LED行業的霸主，連蘋果公司都成了它的客戶。中村的論文讓他取得了日本德島大學的博士學位，LED也開始取代其他照明設備，走進千家萬戶。2014年，為了表彰藍光LED的發明者，中村修二與赤崎勇、天野浩一起獲得了該年度的諾貝爾物理學獎。故事到這里似乎已經圓滿了，但中村修二的故事才剛剛開始。

諾獎得主的經歷

中村發明了藍光LED后，日亞便以公司的名義申請了專利，并開始大量生產銷售藍色發光二極管，從一個鄉鎮企業搖身一變成為世界最大的LED公司。

而讓日亞賺得盆滿缽滿的中村修二，最后只拿到公司發的2萬日元獎金，折合人民幣也就一千來塊。沒有升職，沒有加薪，他還在原來的實驗室里，孤身一人做著實驗。

當時美國加州大學圣芭芭拉分校的華裔校長楊祖佑，特地飛到日本邀請中村。他原以為發明了藍光LED的中村，會是日本社會舉足輕重的人物，想必很難招攬到大學里。但當楊祖佑發現中村修二還在地下室做實驗，職位只是一個技術員，楊祖佑知道機會來了。

1999年中村從日亞辭職，連帶著也退了日本國籍，接受邀請去了美國加州大學圣芭芭拉分校擔任教授。2000年底，日亞公司以涉嫌泄露商業秘密為由，將中村告上法庭。一年后，中村反告日亞公司，要求公司支付發明專利賠償金，最后中村勝訴了，這個官司以日亞賠付中村8.4億日元（約4000萬人民幣）而告終。這起官司也成了專利訴訟教材的標志性案例。之后中村在公開場合多次批評日本的科研環境，應該沒有人比他更了解，在等級森嚴的公司中有無數像他一樣的底層技術員是如何被長期忽視的。

今天照明仍然占全球電力消耗的20%—30%，溫室氣體排放的6%。而LED的能耗只有白熾燈的10%，使用壽命延長了25倍。如果把所有照明改成LED，那每年可減少二氧化碳排放量7.35億噸。21世紀以來，LED起碼給12億缺乏電力的人提供了光明。就像諾貝爾獎評選委員會在聲明中所說的那樣：“如果說白熾燈照亮了20世紀，那么21世紀將是被LED燈照亮的。”

（責編：南名俊岳）