蓝色发光二极管 (blue LED) 与其他 LED 相比有何特别？为啥凭此发明能够获得 2014 年诺贝尔物理学奖？_ZNDS问答

feiyuchongtian

The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources".

那么问题来了= =，为啥是蓝色发光二极管的发明者而不是其他LED的发明者获得了诺贝尔奖，而且蓝色LED相较于其他晚了几十年才被发明，其中的缘故又是指什么？赤崎勇、天野浩、中村修二的发明革新之处在哪里？

1.特别之处
正如其他答案所说，红光和绿光LED早已发明出来，并且很多材料都可以用来做红光和绿光LED，具体可参照LED的wikipedia. 而蓝光LED在中村之前有很多人做，而且1971年第一个蓝光LED就做出来了，用的就是GaN，只不过亮度效率太低，无法商用，所以大家都觉得GaN没前途，从而转向其他材料，像SiC等，不过后来研究者们发现这玩意做出来的LED效率也低而且制造起来非常贵，这个时候默默无闻的中村先生继续在搞被大家遗忘的GaN，最后成功长出来好的GaN晶体以及有效的p型doping的方法，使蓝光LED的亮度和效率大大提高。很快此技术就商业化了。这里面的物理机制没有什么，本科生都懂，其实中村解决的就是一个微电子器件的工程问题（外延生长和掺杂的问题）
2.这个成就配得上诺贝尔奖吗
Definitely!
绝对配得上。不管是基础物理研究还是应用物理研究，只要此项研究可能或者已经带来巨大的理论或是技术上的变革，都是有可能被授予诺贝尔物理奖的。而蓝光LED无疑是已经给社会带来巨大的影响。因为现在所有的LED照明以及LCD显示都会利用到蓝光LED。
首先说用于照明的白光的形成，
A. blue LED+ green LED+ red LED
B. blue LED+ yellow phosphor(磷光粉)
C. UV LED+ R, G, B 三种phosphor
其中UV LED基本上是基于blue LED发展而来的，在高效的GaN以及InGaN blue LED被发明出来后，研究者在GaN掺入Al也就是AlGaN可以产生更短波的UV光，当然其中的器件结构也会发生变化，不是简单的掺在一起。
所以说如果没有高效的blue LED现在的白光LED照明基本上不可能如此普及，因为成本会非常贵(事实上有了blue LED现在还是挺贵的)，所以从这可以看到中村先生工作的意义。
另一个方面是LCD显示，以前的LCD显示背光光源是用冷阴极荧光灯，能耗高而且整个LCD显示器比较厚笨重，LED技术成熟之后，大多采用LED做背光，可以做的很薄而且能耗低，图像效果好。而LCD里用的是白光LED或者用分开的RGB 三种LED，所以说蓝光LED的发明在液晶显示方面也有着巨大的意义，没有这个的话，液晶电视的屏幕不会这么薄，手机平板可穿戴设备等也可能更笨重更耗电(ps.更高效电池的研发要加油了，因为电子产品中几乎所有其他零件的研发目标之一都要尽可能的降低能耗，都在受限于傲娇的电池君啊)
当然下一代显示技术OLED也在蓬勃发展中，这是另一个话题了。也许十年后OLED成为主流显示技术的时候，邓青云教授也是配得上诺奖的(希望邓老那时候安在哈。)
所以个人认为这个奖颁给blue LED的发明人是完全OK的。
ps. 中村先生是2000年左右跳槽到UCSB的，11年听过UCSB校长的talk, 说他认为未来几年blue LED的研究会得诺奖，说他2000年请中村过去的时候就很看好他的研究，所以才花大钱建实验室请中村过去。现在果然是了，这就是大学校长的眼光吧。
手机码字好累！~_~

我对LED获奖还是感到很开心因为大三的时候做过一段时间，也是AlGaN深紫外LED，AlGaN除了宽禁带还有个优点是直接带隙（忘了不确定）。
这个技术难点简单的说就是两点，一个是生长，一个是掺杂，最终目标是提高发光效率。比如用缓冲层解决晶格失配，让缺陷横向生长等等。注入的电子一般在掺杂成的量子肼里复合发光。生长一般用的是MOCVD（金属气相沉积）MBE（分子束外延），关键是各种温度浓度进气速率一堆参数要调，不过那台设备主要是温度上不去，温度到1300，1400缺陷就很少了，最好的MOCVD设备是日本的，人家不卖，德国的也要一千多万。不知道康老板后来有没有再买一台。
P.S. LED国内大概还远比不上台湾，不要说日本了，听说还有不少买来SiC掺一些别的继续卖的，都是坑。还有一些土豪完全也就是烧钱，低端的产能过剩，现在不知道怎么样了

LED是一个简单的PN结，正向电压下，P区和N区的空穴和电子入对面区域，分别与作为多数载流子的电子和空穴分别复合然后辐射产生光子。发光的颜色取决于波长，而且波长则与此PN结的材料禁带宽度有关。简单说来就是波长（nm）=1240 / 禁带宽度（eV）. 所以要发出短波长的蓝光需要宽禁带宽度的材料。
传统的白光LED有两种方法实现，一个是将红，蓝，绿三种颜色的LED放在一起，通过变换组合可以发出各种不同颜色的光，包括白光。飞利浦最新的HUE就是通过这种技术控制室内空间的气氛。
另外一种办法是用InGaN的基片和YAG钇铝石榴石封装在一起，InGaN材料的LED发出蓝色光，YAG荧光粉被蓝光激发后发出黄色的光。这种蓝色和黄色混合的光可以基本覆盖光谱从而产生白光。
所以无论哪种方法，蓝光都是必须的。找到InGaN这种宽禁带材料对发展和利用LED照明有着很重要的贡献。

他们三个发明了基于InGaN的蓝光发光二极管。InGaN的禁带宽度大，所以电子从导带向价带坠落时发出高能量（短波长）的光。比如用GaAs作为二极管，由于禁带宽度小，只能发出红外光。宽禁带的晶体长晶不容易，GaN不能像GaAs或Si一样长成大片，柱形的单晶体。考虑到晶格的匹配，一般只能在蓝宝石上生长（现在也能在其他基地上生长，SiC,Si,甚至金属）。
个人觉得这几年的诺贝尔物理奖更倾向于给应用物理方面的，能够在世界产生巨大应用前景或已经产生极大影响的研究成果。比如光纤，石墨烯，加这次的蓝光发光二极管。蓝光二极管的产生，三元发光色才完备，才能使白光显像成为可能。现在的广场大屏幕LED，手机，电视都在用，已经融进了每家每户。市场上已经大量出现LED的灯泡，他们是通过改变蓝光和黄光的比例产生出白光或类似太阳色的自然光，其中黄光是通过蓝光照射荧光粉产生的。所以有了蓝光LED 就有了白光，使节能的白光LED照明成为可能。之后的紫外光二极管加荧光粉产生的白光二极管（日光灯原理：汞蒸气产生紫外光，紫外光轰击荧光粉后产生二级光子为白光），使白光具有了全光谱。未来的家庭，市政的光源必定是LED的天下。从影响力上看，这几十年的物理研究，影响力无出其右。
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评论里很多人说第一段太专业，看不懂。有大学物理系本科的固体物理知识，应该都能看懂。这里稍微解释一下。
多数解释性内容copy自wiki，因为wiki上的解释已经非常好了，至少比我临时写得要好。
首先解释下能带（引号斜体from wiki）：
“固体材料的能带结构由多条能带组成，能带分为传导带（简称导带）、价电带（简称价带）和禁带等，导带和价带间的空隙称为能隙。

能带结构可以解释固体中导体、半导体、绝缘体三大类区别的由来。材料的导电性是由“传导带”中含有的电子数量决定。当电子从“价带”获得能量而跳跃至“传导带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。
一般常见的金属材料，因为其传导带与价带之间的“能隙”非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至传导带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至传导带，所以无法导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。”
我真的不太会科普，wiki的这段表述也不太容易理解，所以尽力解释下：通俗点说（但不严谨）：电子在晶体中有两种状态，一种是束缚态，绕着原子核转的。另一种是自由状态，可以在不同的原子核或是晶格中来回跑的。自由状态的能量一般比束缚状态的能量要高一点。比如说金属，有很大一部分电子是自由的，可以在不同晶格中穿梭，所以金属能导电。但是本征半导体（没有掺杂的半导体）或绝缘体，电子都束缚在原子核周围。靠热激发，电子还不能变成自由态，所以一般情况下不导电。
对于本征半导体或绝缘体，从束缚状态到自由状态，电子需要一定的能量去激发，可以通过热，震动，光子，其他粒子等等。束缚态中，存在着各种能带，电子可以存在于这些能带中，每个能带存在着两个自旋相反的电子。电子的能量从低到高填满了这些束缚态的能带，我们称之为价带。价带填满的时候，价带是满带，满带不导电。其中价带的能量最高的那一条带的能量最高点，称之为价带顶。一会会用到这个概念。同样，自由态现在是空带，没有电子，也不会导电。但是一旦有了电子，这些电子就能自由穿梭，开始导电，自由态对应的能带，我们成为导带。其中导带的能量最低的那一条带的能量最低点，称之为导带底。价带顶和导带底之间的能量差称之为禁带。电子不能在禁带中存在，因为没有可以存在的态。
那么怎么让半导体导电呢，就是掺杂。”掺杂是半导体制造工艺中，为纯的本征半导体引入杂质，使之电气属性被改变的过程。“掺杂就是在禁带中增加一条掺杂能级，本来不能有电子存在的地方，由于引入了一条掺杂能级了，所以可以有电子存在。有的掺杂能级靠近价带，称为P掺杂，价带中的电子通过热激发到了掺杂能级，就能导电，因为这时价带不再是满带，空穴能自由走。想象一下，一个原子缺了一个束缚的电子后，边上的原子有时会贡献一个电子给他，边上的原子就缺了一个电子。缺了电子的位置成为空穴。同时，有的掺杂能级靠近导带就是N掺杂。掺杂能级中的电子可以激发到导带，参与传导。这些参与导电的电子或空穴成为载流子。载流子浓度越高，导电性能越好。
把P型半导体和N型半导体贴在一起就是个PN结，Diode（二极管）。 LED就是PN结的一个应用，其中D 就是Diode。
刚才说到，P型掺杂后，价带上有空穴；N型掺杂后，导带上有电子。那么将P和N贴在一起会发生什么呢？导带上的电子会落到价带上的空穴，这是个电子空穴的复合过程，复合的过程也是一个发光的过程。因为导带上的电子能量高，价带上的空穴能量低。在下落过程中，发出一个光子。这个光子的能量正好是导带底的能量减去价带顶的能量，也就是之前说的禁带宽度。光子的能量和光子的波长有关，E=hv。波长越短，颜色偏紫，能量越高；波长越长，颜色偏红，能量越低。也就是说：禁带宽度越大，产生偏蓝光，禁带宽度越小，产生偏红光。
这些就是LED的基本原理了。
好像涵盖了第一段所有的术语了，有哪儿没有科普清楚的，请在评论里写出，择日回答。

因为红光LED和绿光LED已经问世很久，但是蓝光LED直到三十多年后才被发明出来。主要困难在于几种能发蓝光的材料要么亮度不够要么成膜困难无法用作大规模生产。
LED的用途与重要性不必多说，缺少蓝色LED，所有的显示屏都不能正常显示颜色。
而且最简单的白光LED制作方法是在蓝光LED里面加别的荧光粉。所以没有蓝光，连LCD显示屏都要受影响。另外蓝光DVD的写入数据用得蓝色激光也是用的这个技术。
受邀惶恐，不知所言。

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