2014年12月2日

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。
圖二: 釔鋁石榴石螢光粉(Y3Al5O12:Ce3+, YAG:Ce3+)結構示意圖。

圖三:白光LED結構示意圖。

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。

延伸閱讀
諾貝爾獎官方網站

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