基于“发明了高效氮化镓（GaN）基蓝光发光二极管，带来了明亮而节能的白色光源的贡献”（授奖公告原文），2014年诺贝尔物理学奖授予了日本科学家赤崎勇（I. Akasaki）、天野浩（H. Amano）和美籍日裔科学家中村修二（S. Nakamura）。近日，名古屋大学，大阪大学，松下等合作将GaN作为节能半导体应用到电子设备（逆变器、控制电机的激光灯）中，可将其功耗降低约20％。当这些设备应用到电动车中时，可节省大量能量。氮化镓被视为下一代节能半导体，可以将半导体能量损失降低到小于当前硅半导体的1/6，并且可以施加10倍于硅的电压。
名古屋大学教授，诺贝尔奖获得者天野浩等人与丰田汽车公司董事长内山武史进行了交流半导体技术一直在不断地改变着人类的生活方式、深刻影响着人类文明的进程！以Si、Ge为代表的第一代半导体，是大规模集成电路的主要材料，已成为人类物质文明水平的代表，广泛应用于计算机和各种电子产品。以GaAs、InP为代表的第二代半导体，自20世纪60年代起用 于制备各种光电子器件和射频电子器件，如红光、绿光发光二极管（LED）、半导体激光器和微波晶体管，支撑了通信技术的革命和高速发展，使人类进入了光通信和移动互联网时代。20世纪80年代末起，以GaN、SiC为代表的第三代半导体兴起，GaN基蓝光LED的发明促使半导体照明技术产生并使之迅速发展，节能、环保、长寿命的固态光源使照明和全色显示技术发生了革命性变革。LED的基本结构是直接带隙半导体的p-n结，在正负极 施以电压，利用p型层注入的空穴与n型层注入的电子在p-n 结空间电荷区复合发光，光子的能量近似等于半导体材料的 禁带宽度。基于这样的原理，在已知的直接带隙半导体材料 中满足红光发光的材料GaAs 和GaP 的混合晶体GaPxAs1-x（x 指合金组分比）首先被美国通用电气实验室的N. Holonyak等人在1962年用于研制红光发光器件，制备出世界上第1只可见光波段LED。此后，人们一直努力制备绿光和蓝光 LED， 以实现三基色的半导体发光。想想假如没有三基色的现代世界会是什么样子，此刻拿着手机或者看着电脑屏幕的你一定不会舒服！20世纪60年代起，GaN作为突破蓝光LED的关键材料，开始受到人们的关注。然而与其他化合物半导体材料不同，GaN 缺乏天然的外延生长用单晶衬底，只能使用其他晶体作为衬底来进行异质外延生长，得到的外延层晶体质量和导电类型都很难控制。1971年美国无线电报公司的 J. I. Pankove制作了采用GaN的MIS（金属-绝缘体-半导体）结构蓝光发光器件，这是全球最先诞生的GaN基蓝绿光发光器件。但由于未实现p型GaN，没有p-n结，器件外量子效率只有0.1%，不具有实际应用意义。1973年开始，日本名古屋大学的赤崎勇把“通过GaN基 p-n结实现蓝色LED”这个挑战当成毕生的事业，先后尝试了分子束外延（MBE）、氢化物气相外延（HVPE）等生长方法，最终选择了金属有机物化学气相外延（MOCVD）方法，并确定了以蓝宝石为外延生长衬底的技术路线。这期间一切并不那么顺利！20世纪80年代，诺奖获得者之一天野浩当时作为博士研究生进入赤崎勇课题组（一对诺奖师徒，跟对导师多么重要！），并以研制出GaN基 p-n 结的蓝色 LED 作为奋斗目标，从装配 MOCVD 外延生长系统开始做起，经历了无数次失败。由于蓝宝石衬底与GaN之间存在较大的晶格失配，直接外延生长会在GaN薄膜中产生高密度缺陷。为了克服这一困难，经过多年的艰难探索，赤崎勇和天野浩发展了低温AlN缓冲层技术，于1986年成功地在蓝宝石衬底上第1次生长出表面完整的高晶体质量GaN 外延薄膜[2] ，为高效GaN基蓝光LED的实现攻克了第1个难关。随后，天野浩与赤崎勇师徒二人一起确认，掺杂受主杂质Mg的GaN 中难以形成 p 型的主要原因是 Mg-H 键导致的杂质电离困难。在多次实验后，1989 年他们发现用低能电子束辐照掺Mg的GaN薄膜，可以有效去除Mg-H键，实现p型激活，成功获得了p型GaN 外延薄膜[3] ，为高效 GaN 基蓝光 LED 的实现攻克了又一个难关。在上述工作基础上，赤崎勇和天野浩成功研制出世界上第1只GaN基p-n结蓝光LED原型器件。与此同时，当时在日本日亚（Nichia）化学工业株式会社做工程师的中村修二（后到美国加州大学圣芭芭拉分校任教授。这么看，美国好像是“捡了”个诺贝尔奖。）从MOCVD装置改造开始进入了GaN外延生长领域。他发现当时主流的MOCVD系统只能用于生长采用AlN缓冲层的GaN外延薄膜，而且表面粗糙，制约了外延材料的质量和器件发光效率的提升。1991年，中村修二设计出双流MOCVD系统，并用GaN缓冲层代替AlN缓冲层，生长的GaN外延薄膜表面平整，晶体质量有了明显改善，外延生长速度也得到提高[4]。中村还发现用简单易行、低成本的氮气氛热退火方法代替无法用于产业化生产的低能电子束辐照，同样可以实现掺 Mg 的GaN的p型激活，发展了实用化的p型GaN制备技术[5] 。此外，GaN基p-n结蓝光LED虽然较MIS结构LED发光亮度提升很多，但仍不能满足实用所需。中村提出在 p-GaN 与 nGaN 之间插入一层InGaN，形成了p-GaN/n-InGaN/n-GaN 双 异质结结构（后发展成量子阱结构），极大地提升了LED的发光效率，为GaN基p-n结蓝光LED的商业化生产扫清了技术障碍[6] 。1993年，Nichia公司推出了世界上第1只商用GaN基蓝光LED！1994年，该公司继续采用蓝光激发黄光荧光粉的方法，制备出了世界上第1只GaN基白光LED，并提出了半导体照明的概念，引发了LED行业的爆发式发展！半导体照明对于人类照明方式具有革命性的意义，应用 LED发光可根据需要方便地进行调节和配色，传统的照明观念正在发生根本的改变。更重要的是，半导体照明还具有引人瞩目的节能效果。仅以我国为例，如果 LED 灯光效达 150 lm/W，占有50%的照明市场，则可年节电3400亿kW·h，相当于4个以上三峡电站的年发电量，可每年少用煤炭3亿多吨，这正是中国科技部制定的《半导体照明发展规划》中争取2020年实现的目标！技术改变生活！致敬每一位在技术发展道路上做出努力的人！[1] 沈波、于彤军、葛惟昆，科技导报2015, 33(4).[2] Amano H, Sawaki N, Akasaki I, et al. Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer [J]. Applied Physics Letters, 1986, 48: 353.[3] Amano H, Kito M, Hiramatsu K, et al. P-type conduction in Mg-doped GaN treated with low-energy electron-beam irradiation (LEEBI) [J]. Japanese Journal of Applied Physics, 1989, 28(12): L2112-L2114.[4] Nakamura S, Harada Y, Sehno M. Novel metalorganic chemical vapor deposition system for GaN growth [J]. Applied Physics Letters, 1991, 58: 2021.[5] Nakamura S, Iwasa N, Sehno M, et al. Hole compensation mechanism of p-type GaN films [J]. Japanese Journal of Applied Physics, 1992, 31 (1): 1258-1266.[6] Nakamura S, Mukai T, Sehno M. Candela-class high-brightness InGaN/ AlGaN double- heterostructure blue-light- emmiting diodes [J]. Applied Physics Letters, 1994, 64(13): 1687-1689.[7] Cree First to Break 300 Lumens-Per-Watt Barrier [EB/OL]. [2014-03-26]. http://www.cree.com/News-and-Events/Cree-News/Press-Releases/2014/March/300LPW-LED-barrier.
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