蓝光LED成就了高亮节能白光光源 发光二极管（Light-emittingdiodes，LEDs）是基于半导体元件的窄带光源，发光波长范围从红外到紫外第一个LEDs的研发于1950s和1960s年代就在几个实验室进行，发光波长为红外到绿光不等 但是，蓝光LEDs的研发却非常艰难，又用了30多年才实现，其中需要研究高质量晶体的生长技术、宽带隙半导体的p型掺杂控制技术，而这些技术只有在1980s末期在GaN体系上得以实现另外，高效蓝光LED的研发也需要制备出具有不同组成的GaN基合金，并需要将之集成为异质结和量子阱类的多层结构 高效白光LEDs的发明成就了照明用白色光源荧光材料受蓝光LED照射激发，会发出绿、红谱段的光，它们与蓝光合并后看起来就是白光另外，具有不同互补色（红/绿/蓝）的几个LEDs一起用也可以形成白光 以上两种技术被用在当今的高效电致发光白光光源中这些光源具有很长的寿命，已经在通用照明领域被用以替代白炽灯和荧光灯因为照明用电占整个电能消耗的20-30%，而这些新型白光光源耗费的电能仅仅是普通灯泡的1/10，所以使用高效蓝光LEDs实现了显著的节能效果，这一发明将造福人类。
因此，今年的诺贝尔物理学奖颁给了高效蓝光LEDs的发明者：I.Akasaki、H.Amano和S.Nakamura 一、早期历史（序号为中译者所加，下同（译者注）） 第一例用固体器件电致发光的报道源自任职于MarconiElectronics的H.J.Round，时间为1907年他在SiC晶体上的两个触点间施加电压，在低电压时观察到黄光发射，高压下却观察到了多种颜色发射前苏联的O.Losev（1903-1942），一位器件物理学奖，于1920s至1930s期间也在国际期刊上发表了几篇有关SiC电致发光的文章这些研究先于现代固态材料电子结构理论的建立 半导体物理和p-n结研究的进展（1940s时期—1940s指20世纪40年代，下同（译者注）），成就了1947年美国贝尔实验室（BellTelephoneLaboratories）的晶体管伟大发明，Shockley、Bardeen和Brattain分享了1956年诺贝尔奖研究者也开始意识到p-n结也能用做发光器件！ 1951年，任职于美国SignalCorpsEngineering实验室的K.Lehovec等就据此解释了前述SiC电致发光现象：载流子注入结区后电子和空穴复合后发光。
但是，实测的光子能量要低于SiC的能隙，他们认为此复合过程可能是杂质或晶格缺陷主导的过程1955年，用其他几种III-V化合物也观察到了载流子注入电致发光现象1955-1956年，贝尔实验室的J.R.Haynes发现Ge和Si电致发光现象的机制也是p-n结区中电子和空穴的复合所致（如图1） 图1.p-n结发光的原理示意图p-n结施加正向偏压后，电子沿n到p的方向注入，空穴以相反方向注入，电子和空穴复合发光（自发发光）LED发光效率要高，很重要的一点是所用的半导体材料为直接带隙型；间接带隙型LED发光效率不高的原因是需要光子辅助复合这一过程LED器件的量子效率等于比值：（发射光子数）/（给定时间内接触结区中注入电子数） 红外LEDs 随后，基于GaAs的高效p-n结的制备技术进展迅速GaAs的优势在于其直接带隙特性—电子和空穴的复合不需要光子辅助就能进行GaAs的带隙为1.4eV，相应发光波长在红外区1962年夏，研究者观察到了GaAs的p-n结发光数月后，液氮温区（77K）的GaAs激光在三个研究组独立且几乎同时地实现，他们是美国的的GeneralElectric，IBM和MITLincoln实验室。
不过，激光二极管的广泛应用还要几年的时间后来的激光二极管之所以能在室温下连续工作，需要提升对载流子的约束并降低损耗，而这些要归功于异质结构（Z.I.Alferov和H.Kroemer的相关研究获2000年诺贝尔奖）以及稍后量子阱的发展 可见光LEDs 紧随1950s末期的实验研究，基于GaP（间接带隙为2.2eV）的高效LEDs的研究在三个研究组并行地开展，他们是德国PhilipsCentral实验室（H.G.Grimmeiss）、英国ServicesElectronics实验室（SERL）（J.W.Allen）和美国Bell实验室（M.Gershenzon）他们的研究目的各异，包括通讯、发光、电视、电子设备指示灯和等采用不同浓度的各种掺杂（例如Zn-O或N），他们获得了红光到绿光的不同发光波长1960s后期，几个国家的不少厂家生产基于GaP的红光和绿光LEDs 基于Ga、As和P（GaPxAs1-x）的混合晶体引起了研究者的兴趣，因为能获得的发光波长比GaAs基的要低：x<0.45时材料具有直接带隙特性，此时发光波长就在可见光范围！美国GeneralElectric实验室的N.HolonyakJr.等在1950s后期开始研究GaPxAs1-x体系，成功制备出基于该体系的p-n结并观察到LED发光，在1962年还报道了710nm的激光二极管发光。
二、蓝光LEDs的早期工作 实现蓝光发射的历程要艰难的多早期研究者曾尝试了高间接带隙的ZnSe和SiC，但并没有实现高效发光成就蓝光LEDs的材料是GaN（GalliumNitride，氮化镓）！！！ GaN是一种III-V型半导体，属纤锌矿结构GaN能在蓝宝石（Al2O3）或SiC衬底上生长，尽管其与衬底的晶格常数不同GaN也能通过掺杂来改性，如掺Si后为n型半导体，掺Mg后为p型半导体但掺杂会干扰晶体的生长过程，使之易碎一般而言，GaN晶体中的缺陷赋予晶体良好的电子迁移率，也就是说，未掺杂的GaN是天然的n型半导体GaN的直接带隙为3.4eV，相应发光波长在紫外区 1950s末期，PhilipsResearch实验室已经开始认真研究基于GaN的新发光技术的可行性，尽管那时GaN的带隙才刚刚被测定H.G.Grimmeiss和H.Koelmans用不同的激活剂，实现了基于GaN的宽光谱段高效光致发光，据此他们申请了一项专利然而，当时GaN晶体的生长非常难，只能得到粉末状的小晶体，这样是无法制备p-n结的Philips的研究者决定还是集中力量研究GaP体系（如前述）nbsp; 1960s末期，GaN晶体生长已经可以籍HVPE技术（HydrideVapourPhaseEpitaxy，氢化物气相外延）在衬底上沉积来实现了！美国、日本和欧洲的数个实验室，均在研究GaN的生长和掺杂技术，以期实现蓝光LEDs。
但是，材料方面的几个问题看起来还是难以逾越——表面粗糙度没法控制，HVPE生长用材料被过渡金属杂质污染，用作p型掺杂的原子被H钝化（H与受体掺杂原子形成配合物）其中，当时无法理解H的作用机制该领域的带头人J.I.Pankove在一篇1973年的综述中作了如下评述：尽管过去两年GaN的研究有不少进展，该领域仍然存在很多问题GaN技术的主要目标应该定位于（1）无应变单晶的合成制备，（2）浅能级受体原子的高浓度掺杂（以提供有效的p型掺杂）由于进展不顺利，该领域的研究工作再次停滞不前！ 三、新的生长技术 1970s年代，涌现出MBE（MolecularBeamEpitaxy，分子束外延）和MOVPE（MetalorganicVapourPhaseEpitaxy，金属有机气相外延）这样新的晶体生长技术研究者开始用这些技术生长GaN早在1974年，IsamuAkasaki开始研究GaN，当时他任职于东京的MatsushitaResearch研究所1981年，他开始担任名古屋大学的教授，并与HiroshiAmano等一起继续GaN的研究直到1986年，他们用MOVPE技术才获得了晶体质量高、光学特性好的GaN。
取得这一突破的背后是长期系列的实验和观察的积累 薄层（30nm）多晶AlN先在蓝宝石衬底上低温（500°C）行核，然后被加热到GaN的生长温度（1000°C）加热过程中，AlN层演化为具有细晶粒和择优取向（也是GaN后续生长方向）的组织结构生长的GaN晶体中，位错密度开始高，但随厚度达到几微米后迅速降低实现GaN的高表面质量，对LED器件制备后续步骤中的薄多层结构的生长非常重要终于，他们首次得到了高质量的器件级GaN（如图2a所示）！另外，他们也能生长n型掺杂本底浓度很低的GaN晶体任职于日亚化学公司（NichiaChemicalCorporation，当时是日本的一家小型化学公司）的ShujiNakamura后来也开发出一种类似的技术，即用低温生长的薄层GaN替换AlN 图2.a)蓝宝石衬底上AlN缓冲层法生长GaNb)Mg掺杂GaN的电阻率随退火温度的变化曲线 四、GaN的掺杂 制备GaN的p-n结的一个主要问题是难于可控地实现GaN的p型掺杂1980s末期，Amano、Akasaki等取得了一项重要发现：他们注意到用扫描电镜观测Zn掺杂的GaN（Zn-dopedGaN）时，发光量得以增加[29]，表明此时p型掺杂效果更好！同样，Mg掺杂的GaN（Mg-dopedGaN）经低能电子辐照后，p型掺杂效果也有提升。
这一重要突破扫清了GaN的p-n结研究的障碍！！！ Nakamura等在几年后解释了电子辐照效应的机理：Mg或Zn等受体掺杂原子与H形成配合物而被钝化，而电子束的则能解离这些配合物，从而活化了被钝化的掺杂原子Nakamura发现即便简单的热处理（退火）也能有效活化Mg受体掺杂！H中和掺杂原子的效应在此前的文献中也有报道（对其它材料体系），如Pankove、G.F.NeumarkRothschild及其他研究者 制备高效蓝光LEDs的关键一步是合金（AlGaN和InGaN体系）的生长和p型掺杂，这些是制备异质结所必需的条件1990s初期，Akasaki研究组和Nakamura研究组成功制备出了此类异质结 五、双异质结构构和量子阱 红外LEDs和激光二极管的研究已经表明：异质结和量子阱是实现高效率的保障在异质结和量子阱中，电子和空穴被注入到极小空间内，其内的复合过程更高效、损耗小Akasaki等研发出基于AlGaN/GaN的异质结构，Nakamura则利用InGaN/GaN组合、InGaN/AlGaN组合来制备异质结、量子阱和多量子阱，并大获成功1994年，基于InGaN/AlGaN双异质结，Nakamura等实现了2.7%的量子效率（如图3）！籍此重要突破，高效蓝光LEDs的研发和应用的道路终于畅通了！两个研究组继续研发蓝光LEDs，目标是更高效、多样化和广泛应用。
两个研究组在1995-1996均实现了基于GaN的蓝光激光 图3.基于InGaN/AlGaN双异质结蓝光LED的结构示意图 六、历史发展总结（本节标题为译者所加（译者注）） 现今的高效GaN基LEDs确实源自不同领域的长时间积累和多项相关突破，包括基本材料物理和晶体生长领域的突破、先进异质结构设计相关的器件物理领域的突破，以及出光率优化设计相关的光学物理领域的突破有关蓝/绿/红和白光LEDs的历史发展进程可以总结如下图4 图4.商业LEDs演进的历史PC-White表示磷转换白光，DH表示双异质结构纵轴的wallplug效率是（输出出射光功率/输入电功率）这一比值 七、LEDs的应用 照明技术正在经历一场革命，即从使用白炽灯泡和荧光灯管过渡到使用LEDs的革命爱迪生在1879年发明了白炽灯泡，其效率仅约16lm/W，也就是说电转化为光能的效。