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2014年诺贝尔物理学奖:为什么蓝色LED这么难合成?

 

来源:azom、新材料在线(http://www.xincailiao.com    

  

摘要 红色和绿色LEDs20世纪50年代和60年代在一些实验室创建,但是用了三十年终于生产出高效的蓝光LEDs - 为什么他们那么难做呢? 

 

 图片来源:nobelprize.org 

 

2014107日,Isamu AkasakiHiroshi Amano Shuji Nakamura因发明高效的蓝色发光二极管(LEDs)荣获诺贝尔物理奖。红色和绿色LEDs20世纪50年代和60年代在一些实验室创建,但是用了三十年终于生产出高效的蓝光LEDs - 为什么他们那么难做呢?

LEDs如何工作?

  

发光二极管是在半导体材料移动的电子照明的电子设备。LEDs能够发射从红外到紫外波长范围的光。

半导体是具有导电性,其导电性介于导体如铜和绝缘体如橡胶之间。它们通常是通过添加其他材料的原子掺杂而成的不良导体。

什么是电子空穴?

缺乏电子否则是满价带。

LEDs通常由铝--砷化物制成(AlGaAs),在其纯的形式下传导电流而不包含任何自由电子。其结果是AlGaAs掺杂自由电子或“电子空穴”以改变材料的平衡状态,使得它更加导电。 

半导体可以被分类为两种类型的材料--N型和P型:

图片来源:Shutterstock.com / Ng Wei Keo

 

 N型半导体包含额外的负电荷的电子,其结果是自由电子从带负电荷的区域流到带正电荷的区域。

P型半导体具有额外的孔,它允许自由电子在空穴间跳跃,因此使得电子从带负电荷的区域移动到带正电荷的区域。

二极管包括一个连接到P型半导体介面的N型半导体(称为p-n结)与两个放置在该装置任一端的电极。当电流流过二极管,带负电的电子在材料中移向一个方向,而带正电的空穴移向相反方向。因为空穴具有较低的能量,当自由电子下降到空穴时将失去能量并以光子的形式发射能量。

能量下降的大小决定了被发射光子具有的能量,其反过来决定二极管发射的光的颜色。具有大量能量发射光子的波长比具有低能量发射光子的波长要短。

 

发光二极管的历史

1907H.J.Round在做猫晶须器实验时创建了第一个能够发出光产生的电的二极管。圆形在碳化硅(SiC)晶体施加了电势差。他发现发射光的颜色取决于在晶体施加电压的大小。

20世纪20年代和30年代,苏联物理学家研究了电致发光现象,并就该研究发表了一些期刊论文。

1947年,电子晶体管在贝尔电话实验室发明,部分得益于对半导体和p-n结认识的进步。

1956年的诺贝尔物理学奖

1956年,ShockleyBardeenBrattain因半导体和晶体管效应的发现获得了诺贝尔奖。

20世纪50年代,科学家们对电致发光进行了广泛的研究,J.R. Haynes证明了锗和硅的二极管能发光,这要归因于1956年贝尔电话实验室发现了p-n结中空穴和电子的相互作用。

红外发光二极管在1962年使用砷化镓制成p-n结而创建。该半导体材料具有1.4eV的直接带隙,这直接对应于红外光的波长。到了20世纪60年代末,红色和绿色LEDs在不同国家使用磷化镓的p-n结制造。然而证明蓝色LED的开发对科学家而言要困难得多。

 

隧道尽头的蓝光

ZnSe和碳化硅二极管具有高的间接带隙,最初设想从它们发射蓝光,但是没有产生有效的发光。能够开发蓝色LEDs的材料是氮化镓(GaN),该材料是一个具有纤锌矿型晶体结构的半导体,其直接带隙是3.4eV,这直接对应于紫外线范围的波长。

20世纪50年代末,飞利浦研究实验室的研究人员已考虑使用GaN制造蓝色发光二极管,但却选择了GaP,这是由于GaN晶体的生长非常困难。在20世纪60年代后期,可以很有效的使用氢化物汽相外延(HVPE)在基底上生长GaN晶体。

1974年,Isamu Akasaki开始研究氮化镓,并在名古屋大学拿到一个教授职位和Hiroshi Amano一起继续他的研究。在1986年,MOVPE技术被用于生产高晶体质量和良好的光学性能的GaNShuji Nakamura后来开发了类似的方法在低温生长GaN

 

图片来源:Shutterstock.com/ jeka84

 

生产蓝光LEDs的另一个主要问题是精确p-掺杂氮化镓的难度。在20世纪80年代后期,AmanoAkasaki发现当氮化镓中掺入锌原子时,它发出更多的光因而有益于更好的p-掺杂。这种现象在后面Nakamura的文章中进行了说明。这是一个重要的发现,因为它为在氮化镓半导体中使用p-n结铺平了道路。

蓝光LEDs开发的一个关键步骤是异质结的发现,它在20世纪90年代初由AkasakiNakamura领导的研究小组发现。1994年,Nakamura使用双异质结的InGaN/ AlGaN制备2.7%量子效率的设备,从而打开容易生产高效蓝光LEDs的大门。

1995-1996年间,观察到了两个研究小组基于氮化镓的蓝光。现代高效的基于Ga-NLEDs,是长系列的材料物理、光学、电子和化学的领域突破的结果。

 

LEDs的未来

照明技术正在经历一场重大的革命,灯泡和荧光灯管被替换为LEDs。目前当电转化为光时,白光LEDs拥有约50%的能源效率。这与1879年由Thomas Edison首次发明的灯泡的4%的能源效率相比是一个巨大的进步。

 图片来源:nobelprize.org

 

白光LEDs的寿命约10万小时,并随着市场需求的迅速增长变得更实惠。用LEDs取代传统灯泡将大幅减少地球光能源的需求,从而使世界电力的消耗减少20-30%

实惠又高效的LEDs

目前全世界约有150亿人生活在没有适当照明的家中。 

目前,LED技术被用于许多移动电话、笔记本电脑和电视屏幕的背光屏。蓝色的氮化镓二极管激光器用于加强蓝光光碟的数据存储,并预期取代DVDs 

在不久的将来,相信AlGaN/GaN LEDs可以发射紫外光,并用于水的净化,因为UV光能够破坏细菌和病毒的DNA。在电力基础设施匮乏的国家,太阳能白光LEDs将取代在夜间使用的煤油灯。

 

参考书目和进一步阅读:

How Light Emitting Diodes Work - HowStuffWorks

Semiconductors - Hyperphysics

Efficient Blue Light-Emitting Diodes Leading To Bright and Energy-Saving White Light Sources - The Royal Swedish Academy of Sciences

The Nobel Prize in Physics 1956 - The Nobel Prize

The Nobel Prize in Physics 2014 - The Nobel Prize

 

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