2014年諾貝爾物理獎–照亮世界的新光源
 
2016/12/01
 
IC之音廣播電台
 
 
2014年諾貝爾物理獎頒給了三位日本科學家赤崎勇、天野浩及中村修二,表彰他們對藍光LED的發展貢獻,促成了一般LED燈具的實現,引發了「照明技術的重大轉型」。請聽今天的科學三分鐘,主題是:2014年諾貝爾物理獎─照亮世界的新光源。

比起以往的照明用具,LED燈具不需要脆弱的玻璃容器,不但耐用、節能,而且製造過程不會用到高污染性的汞,對環境比較友善。

發光二極體LED,和我們的手機、電腦所使用的IC一樣,屬於一種半導體元件。半導體的電致發光效應,也就是通電後會發光的現象,早期因為光度微弱,沒有實際用途。直到二次世界大戰以後,LED技術得到比較大的發展,紅光和綠光LED才陸續被發明。1968年,LED開始量產,到了70年代,一顆的價錢不到五毛美金。不過它的用途,主要就是當作小型的指示燈,例如電子用品開機的時候,會亮起來的紅色或綠色小燈,就是用LED做成的。當時LED的光度還是很弱,幾乎不可能用來照明。

LED有個特點,通電的時候發出什麼顏色的光,是由材料本身的性質決定。然而要發出照明用的白光,卻不簡單。回顧光學發展的歷史,牛頓用三稜鏡把白光分成不同顏色的光,同樣的道理,科學家嘗試將幾種顏色的光混合來產生白光。而單靠紅光和綠光,是無法混合出白光的,需要有藍光LED,而且光度必須要夠強。

還有一個方法就是在燈具上塗一層螢光塗層,當LED發出的光照射到這個塗層時,也可以發出照明用的白光或黃光。但同樣地,即使用了這個方法,如果沒有光度夠強的藍光LED,也無法產生良好的照明效果。但是藍光LED的研發,卻足足經歷了30年以上的失敗。

1970年代,赤崎勇教授開始為松下的東京研究所改良氮化鎵半導體元件。這個材料傳統上就被認為能發藍光,不過製作難度非常高,眾多的科學家都曾經嘗試過,沒有一個人成功。但是赤崎勇堅信這個材料是正確的,並選擇了一個新技術:「有機金屬化學氣相沉積法」來製作,簡單地說,就是用氫氣的氣流,把反應物帶到一塊「基板」上,產生化學反應,讓氮化鎵在基板上一層一層地堆積起來。隔年,天野浩也加入了他的團隊,當時天野浩還只是個大學生。1985年,團隊終於成功生產了高品質的氮化鎵。

透過摻入雜質的「摻雜」技術,把氮化鎵做成半導體,就可以發光,不過比較微弱。後來,赤崎勇的團隊在使用電子顯微鏡時,又發現電子束可以提高藍光LED的光度和效能。

同時,中村修二也在日亞化工進行這種技術的改良研究,他不但降低了藍光LED的生產成本,還發現只要經過加熱的程序,去除氮化鎵裡面的氫氣,就可以提高光度和效能,不需要昂貴的電子束。1993年,中村修二成功的大幅提昇氮化鎵和銦氮化鎵的發光效率,終於生產出有商業應用價值的藍光LED,讓他被譽為「藍光LED之父」。他也正因為這項成就,跟赤崎勇、天野浩,一起獲得了今年的諾貝爾物理獎。本集單元感謝科學顧問工研院電光所黃斐章研究員指導。

今天的科學關鍵字,就是:

藍光LED 

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【本單元由科技部補助製播】2014-11-02 16:55:00播出
 
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