發(fā)光二極管（Light-emitting diodes，LEDs）是基于半導(dǎo)體元件的窄帶光源，發(fā)光波長范圍從紅外到紫外。第一個(gè)LEDs的研發(fā)于1950s和1960s年代就在幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，發(fā)光波長為紅外到綠光不等。但是，藍(lán)光LEDs的研發(fā)卻非常艱難，又用了30多年才實(shí)現(xiàn)，其中需要研究高質(zhì)量晶體的生長技術(shù)、寬帶隙半導(dǎo)體的p型摻雜控制技術(shù)，而這些技術(shù)只有在1980s末期在GaN體系上得以實(shí)現(xiàn)。另外，高效藍(lán)光LED的研發(fā)也需要制備出具有不同組成的GaN基合金，并需要將之集成為異質(zhì)結(jié)和量子阱類的多層結(jié)構(gòu)。

高效白光LEDs的發(fā)明成就了照明用白色光源。熒光材料受藍(lán)光LED照射激發(fā)，會(huì)發(fā)出綠、紅譜段的光，它們與藍(lán)光合并后看起來就是白光。另外，具有不同互補(bǔ)色（紅/綠/藍(lán)）的幾個(gè)LEDs一起用也可以形成白光。以上兩種技術(shù)被用在當(dāng)今的高效電致發(fā)光白光光源中。這些光源具有很長的壽命，已經(jīng)在通用照明領(lǐng)域被用以替代白熾燈和熒光燈。因?yàn)檎彰饔秒娬颊麄�(gè)電能消耗的20-30%，而這些新型白光光源耗費(fèi)的電能僅僅是普通燈泡的1/10，所以使用高效藍(lán)光LEDs實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果，這一發(fā)明將造福人類。

因此，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了高效藍(lán)光LEDs的發(fā)明者：I. Akasaki、H. Amano和S. Nakamura。

一、早期歷史（序號(hào)為中譯者所加，下同（譯者注））

第一例用固體器件電致發(fā)光的報(bào)道源自任職于Marconi Electronics的H. J. Round，時(shí)間為1907年 [1]。他在SiC晶體上的兩個(gè)觸點(diǎn)間施加電壓，在低電壓時(shí)觀察到黃光發(fā)射，高壓下卻觀察到了多種顏色發(fā)射。前蘇聯(lián)的O. Losev（1903-1942），一位器件物理學(xué)獎(jiǎng)，于1920s至1930s期間也在國際期刊上發(fā)表了幾篇有關(guān)SiC電致發(fā)光的文章 [2]。這些研究先于現(xiàn)代固態(tài)材料電子結(jié)構(gòu)理論的建立。

 半導(dǎo)體物理和p-n結(jié)研究的進(jìn)展（1940s時(shí)期—1940s指20世紀(jì)40年代，下同（譯者注）），成就了1947年美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室（Bell Telephone Laboratories）的晶體管偉大發(fā)明，Shockley、Bardeen和Brattain分享了1956年諾貝爾獎(jiǎng)。研究者也開始意識(shí)到p-n結(jié)也能用做發(fā)光器件！1951年，任職于美國Signal Corps Engineering實(shí)驗(yàn)室的K. Lehovec等 [3]就據(jù)此解釋了前述SiC電致發(fā)光現(xiàn)象：載流子注入結(jié)區(qū)后電子和空穴復(fù)合后發(fā)光。但是，實(shí)測的光子能量要低于SiC的能隙，他們認(rèn)為此復(fù)合過程可能是雜質(zhì)或晶格缺陷主導(dǎo)的過程。1955年，用其他幾種III-V化合物也觀察到了載流子注入電致發(fā)光現(xiàn)象 [4, 5]。1955-1956年，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的J. R. Haynes發(fā)現(xiàn)Ge和Si電致發(fā)光現(xiàn)象的機(jī)制也是p-n結(jié)區(qū)中電子和空穴的復(fù)合所致[6]（如圖1）。

圖1. p-n結(jié)發(fā)光的原理示意圖。p-n結(jié)施加正向偏壓后，電子沿n到p的方向注入，空穴以相反方向注入，電子和空穴復(fù)合發(fā)光（自發(fā)發(fā)光）。LED發(fā)光效率要高，很重要的一點(diǎn)是所用的半導(dǎo)體材料為直接帶隙型；間接帶隙型LED發(fā)光效率不高的原因是需要光子輔助復(fù)合這一過程。LED器件的量子效率等于比值：（發(fā)射光子數(shù)）/（給定時(shí)間內(nèi)接觸結(jié)區(qū)中注入電子數(shù)）。