一、研究新知
藍光LED掀起照明的新頁
作者／方牧懷（臺灣大學化學系博士生）、劉如熹（任教臺灣大學化學系）
夕陽西下， 一盞盞發光二極體（light-emitting diode, LED）路燈漸漸亮起，下班後擁擠的捷運車廂裡，人們滑著手上的智慧型手機，繁華的街道上，五光十色的LED招牌炫麗的閃著，這些場景對一般人來說，也許再平凡不過，但可曾想過，在1990年代以前，LED僅用作指示燈。然而1993年一項革命性的發明，使LED領域跨入新的世代，即「藍光LED」的誕生。
赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）與中村修二（ NakamuraShuji）教授致力於藍光LED 的研發，並以氮化鎵（GaN）為材料成功合成藍光LED，不久後，白光LED也隨著問世。
發光二極體
發光二極體，其為一種以半導體材料製成的發光元件，包含p型（三價元素摻雜）半導體與n型（五價元素摻雜）半導體，以矽半導體元件為例，p型半導體因摻雜的元素較矽元素缺電子，故主要導電粒子可視為帶正電荷的電洞；而n型半導體因摻雜的元素較矽元素具有更多電子，故主要導電粒子為帶負電荷的電子。於元件兩側施加正向偏壓時，會產生電子與電洞，當電子與電洞結合時，能量以光的形式釋出，屬於電致發光，而放光的波長、顏色與所使用的半導體材料、摻入主體材料的元素有關（圖一）。
LED最早起源於1961年，美國德州儀器公司發展以磷化銦鎵（InGaP）材料合成的LED，其放光波長範圍為近紅外線。1962年， 奇異公司發展以磷化鎵砷（GaAsP）為材料的紅色發光二極體，因其轉化效率差且放光波長遠離可見光範圍，因此未被廣泛應用，僅用作指示燈。1991年，美國HP公司與日本東芝公司研發以磷化鋁鎵銦（AlGaInP）材料之綠色發光二極體，然而，缺少藍光LED，就無法以藍、綠與紅三種顏色的LED 任意組合顏色，尤其是用作照明的白光。
直到1993年，日本日亞化學（Nichia Corporation）的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN）開發具高亮度的藍光發光二極體。相較於傳統的日光燈與白熾燈泡，LED不僅體積小、環保、省電，壽命更長達十萬小時，且因其低耗電的特性，對於電力缺乏的開發中國家，無疑是一大福音，現今環保意識與節能觀念逐漸提升，發光二極體已躍升為二十一世紀照明與顯示器之新光源。
劃時代的偉大發明：藍光LED
2014年的諾貝爾物理獎揭曉，頒給發展藍光LED的三位教授，分別為任教於名城大學的赤崎勇教授、名古屋大學的天野浩教授，以及美國加州大學的中村修二教授。
赤崎勇教授出生於日本鹿兒島縣，於名古屋大學取得工學博士，曾服務於松下電器與名古屋大學，現為名城大學終身教授。1986年與天野浩教授成功以「低溫沉積緩衝層技術」合成高品質的氮化鎵晶體，並於1989年以氮化鎵的pn 結構完成了藍色發光二極體。其學生天野浩教授，出生於日本靜岡縣。在1982年，仍為大學生的天野浩便加入赤崎勇教授的研究室，主要研究III族的氮化。1986年，赤崎勇與天野浩首次成功於藍寶石基板上合成高質量的氮化鎵晶體，並於1980年代末期，成功合成 p 型氮化鎵半導體。
中村修二教授出生於日本愛媛縣，1979年取得德島大學工學碩士，日後任職於日亞化學，1987年赴美國佛羅里達大學進修一年，1988年回國後致力於開發藍色LED。然而，當時沒人看好他的研究，尤其他選用氮化鎵為材料，當時氮化鎵並不受重視，並被大家視為一項不可能成功長出 p 型半導體的材料。反而，多數科學家致力於硒化鋅（ZnSe）材料的研究，因此研究過程相當艱辛。兩年後，中村成功於低溫下合成氮化鎵薄層。幾年後，中村於製程上得到了相當大的突破，成功發展含銦的氮化鎵，1993年，世界第一顆高亮度藍色LED成功的商品化，因此他又被稱之為「藍光之父」。1999年，中村完成了藍紫半導體雷射，也完成了在日亞化學的所有任務，此期間因專利問題與日亞化學產生眾多訴訟，失望之餘便離開日本。2000年後於美國加州大學聖塔芭芭拉分校擔任教授一職。
這三位偉大的科學家，不僅對於自己的研究具有相當的執著，更勇於背負極大風險，選擇了常人認為不可能成功的氮化鎵材料，即使資源匱乏，必須自己架設儀器，他們仍然不因此而放棄，歷經數以千次實驗的失敗，依然堅持自己的信念，最後才得以成功發展藍光LED，也因此得到了2014年的諾貝爾物理獎。
然而，許多人會問，為何諾貝爾獎特別頒給「藍光」LED的發明者呢？早期由於紅色發光二極體波長的限制，多只能用作交通號誌的警示燈，或LED看板的顯示，用途受限，且無法用於照明設備。然而，當藍光LED被發明後，科學家便可以利用紅、綠與藍三種顏色的LED自由調配所需的顏色。
革命性的照明裝置
為了將LED運用於照明裝置，可使用紅、綠與藍三種顏色的LED組成白光，雖然可以解決過去無法產生白光的問題，但此裝置也有許多缺點，不僅成本過高，且三種LED的壽命不同，如果其一損壞，就必須汰換此裝置。因此，世界各國的科學家也積極尋找解決方法，而此問題的答案為——螢光粉。
作為發光二極體基礎材料的無機粉體稱為螢光粉（phosphor），此材料具有高光能轉換效率與高色彩飽和度，合成與加工步驟簡易，主要可分為主體晶格（host）與活化劑（activator）兩個部分，主體晶格為螢光粉體的主要晶體結構，並提供活化劑的配位環境，其將影響活化劑放光特性。活化劑則為摻雜在主體之離子，為主要發光中心，通常為稀土元素。而最著名的螢光粉莫過於1996年，日亞化學揭示的鈰摻雜釔鋁石榴石（Cerium-doped yttrium aluminum garnet; YAG:Ce） 螢光粉化學式為Y3Al5O12:Ce3+（圖二），此螢光粉可被藍光LED激發（波長為460奈米）。受到藍光LED晶片照射後，鈰原子基態的 4f 軌域電子吸收能量躍遷至較高能量的激發態 5d 軌域，於 5d 軌域中產生熱振動緩解至 5d 軌域最低振動能階，此過程中能量以熱能形式散失，最後 5d 軌域最低能階的電子緩解回到基態 4f 軌域，並以光能的形式將能量釋放（圖三）。而YAG所放出的黃光，經適當調控螢光粉添加量，可得到由藍光LED晶片所放出的藍光，加上YAG黃色螢光粉所放出的黃光，即可形成白光。此裝置不僅成本低，更可避免使用三種不同顏色LED所面臨各自壽命不同的問題。
LED照明裝置改良
藍光LED的發明，搭配黃色螢光粉即可產生白光，可以解決照明的問題。然而，此裝置有一個致命的缺點——即當照明時無法顯示出物體真正的顏色。其中最大的原因是此裝置缺少紅色區域的光譜，為了改善此缺點，科學家便發展了紅色螢光粉，目前放光特性良好的紅光螢光粉主要氮化物或氮氧化物材料，其中最著名的紅色螢光粉為CaAlSiN3:Eu2+。未添加紅色螢光粉的發光裝置， 色溫較高（correlated color temperature, CCT > 6000 K），屬於冷白光；而添加紅色螢光粉的發光裝置，色溫較低（CCT < 3300 K），屬於暖白光。
LED未來展望
根據預測，2016年時，全球LED產值將來到110億美金，其中又以照明為最大宗，根據統計，若臺灣四分之一的白熾燈泡與傳統日光燈替換為白光LED，則每年可省下約110億度之電力，相當於核電廠一年的發電量，因此，日後會趨向以白光LED作為照明的主要光源，如何提升LED亮度與降低成本勢必成為一大課題。另外，現代手機、平板電腦與大型LED電視的普及，也使LED用於背光面板更加興盛。因為藍光LED的發明，使得今日的世界可以運用電腦控制，使LED發出數百萬種顏色的光，因此，大至路上隨處可見的大型LED看板、紅綠燈，到小至螢幕的背光系統，都有LED的身影。另外，利用電腦控制LED放光的強度與顏色來模擬日照，現代常用來進行溫室植栽，因此常可以在同一時間看到不同季節的花卉。
而赤崎勇、天野浩和中村修二教授不僅發展了藍光LED，也發展出藍光雷射，使資料儲存領域有重大突破，因藍光雷射的波長較紅外線短，可於相同的資料儲存面積儲存更多資料。白光LED的出現，於人類的歷史有著無可比擬的重要性，白熾燈泡照亮了19世紀，螢光燈管照亮了20世紀，而21世紀，將是LED的時代。
資料來源:轉載自「科學月刊諾貝爾獎特別報導」
http://scimonth.blogspot.tw/2014/12/led.html