當我們看向手機或電腦屏幕上五彩斑斕的顏色時，我們知道顯示屏上面的顏色是由一個個微小的像素點組成的，而每一個單獨的像素點又由光的三原色（R-紅、G-綠、B-藍）的led燈珠組成。但你是否知道藍色LED的研發(fā)難住了當時最頂級的科學家與工程師。紅光LED最早由美國的電氣工程師尼克·霍爾尼 ( Nick Holonyak Jr.) 在1962年發(fā)明，到了70年代，仙童半導體公司在新技術與新材料的加持下將LED的發(fā)光光譜擴展到橙光、黃光和綠光，但藍色LED卻始終無法突破，即使能發(fā)光也只有微弱的藍光，完全無法用于商業(yè)應用，直到1993年才被一位名不見經(jīng)傳的日本工程師--中村修二 打破，同時也讓赤崎勇、天野浩和中村修二獲得了2014年的諾貝爾物理學獎。
發(fā)光二極管核心是二極管的空穴和電子在電壓作用下從電極流向PN結。當空穴和電子相遇而產(chǎn)生復合，電子會跌落到較低的能階，同時以光的形式釋放出能量。如下所示：
光的顏色由光子能量決定，而光子能量取決于半導體材料的能隙（Band Gap）：
能隙大 → 高能量光子（藍/紫光）；
能隙小 → 低能量光子（紅/黃光）；
從下表我們可以看到從紅色到紫外半導體材料的能隙越來越大，并且這也基本對應了LED燈研發(fā)的順序。
不同顏色LED的材料選擇
合適的半導體材料稀缺：
紅光和綠光LED早期使用磷化鎵（GaP）等材料，但能產(chǎn)生高效藍光的材料非常有限。最終，氮化鎵（GaN）被確認為最佳選擇，但它在當時技術下極難制備。
氮化鎵的晶體生長難題：
GaN需要高溫（約1000°C）和高壓環(huán)境生長，且缺乏合適的襯底（基板材料）。常見的藍寶石襯底與GaN晶格不匹配，導致晶體缺陷多，效率低下。
p型摻雜的突破難題：
GaN天生傾向于n型導電（富電子），而LED需要p-n結發(fā)光。直到1990年代，赤崎勇和天野浩團隊發(fā)現(xiàn)用鎂（Mg）摻雜并結合電子束激活，才能實現(xiàn)p型GaN，這一過程耗時多年。
高能量需求：
藍光波長較短（~450納米），需要半導體材料的帶隙更寬（GaN的帶隙為3.4 eV）。大帶隙材料對純度、晶體質(zhì)量要求極高，任何缺陷都會導致效率驟降。
紅光LED（1960年代）和綠光LED（1970年代）的研發(fā)較早，而藍光LED直到1994年才由中村修二團隊（日亞化學）實現(xiàn)商業(yè)化。此前的幾十年中，科學家甚至認為GaN“不可能實用化”。
日本名古屋大學的赤崎勇和天野浩團隊采用藍寶石（Al?O?）作為襯底，并通過低溫緩沖層技術（在藍寶石上先沉積一層AlN緩沖層）成功生長出高質(zhì)量的GaN晶體。此外，他們發(fā)現(xiàn)鎂（Mg）摻雜結合電子束照射可以實現(xiàn)P型GaN，解決了PN結制備的關鍵問題。
在赤崎勇和天野浩的基礎上，當時在日亞化學（Nichia Corporation）工作的中村修二進一步3、優(yōu)化了GaN生長工藝：
雙氣流MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）：提高了GaN薄膜的質(zhì)量和均勻性。
InGaN（銦氮化鎵）量子阱結構：通過調(diào)節(jié)In組分，實現(xiàn)了高效率藍光發(fā)射。
熱退火技術：大幅提升P型GaN的導電性。
1993年，中村修二成功研制出高亮度藍色LED，并于1994年實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。這一突破使得白光LED（藍光LED+黃色熒光粉）成為可能，徹底改變了照明行業(yè)
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