The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources".

那么问题来了，为什么是蓝色发光二极管的发明者而不是其他 LED 的发明者获得了诺贝尔奖，而且蓝色 LED 相较于其他晚了几十年才被发明，其中的缘故又是什么？赤崎勇、天野浩、中村修二的发明革新之处在哪里？

他们三个发明了基于 InGaN 的蓝光发光二极管。InGaN 的禁带宽度大，所以电子从导带向价带坠落时发出高能量（短波长）的光。比如用 GaAs 作为二极管，由于禁带宽度小，只能发出红外光。宽禁带的晶体长晶不容易，GaN 不能像 GaAs 或 Si 一样长成大片，柱形的单晶体。考虑到晶格的匹配，一般只能在蓝宝石上生长（现在也能在其他基地上生长，SiC，Si，甚至金属）。

个人觉得这几年的诺贝尔物理奖更倾向于给应用物理方面的，能够在世界产生巨大应用前景或已经产生极大影响的研究成果。比如光纤，石墨烯，加这次的蓝光发光二极管。

蓝光二极管的产生，三元发光色才完备，才能使白光显像成为可能。现在的广场大屏幕 LED，手机，电视都在用，已经融进了每家每户。

市场上已经大量出现 LED 的灯泡，他们是通过改变蓝光和黄光的比例产生出白光或类似太阳色的自然光，其中黄光是通过蓝光照射荧光粉产生的。所以有了蓝光 LED 就有了白光，使节能的白光 LED 照明成为可能。

之后的紫外光二极管加荧光粉产生的白光二极管（日光灯原理： 汞蒸气产生紫外光，紫外光轰击荧光粉后产生二级光子为白光），使白光具有了全光谱。未来的家庭，市政的光源必定是 LED 的天下。从影响力上看，这几十年的物理研究，影响力无出其右。

虽然这三个人的贡献很突出，氮化物领域出了诺贝尔奖多少有些意外。这里按照我的理解，简单介绍下氮化物这个研究领域和三个人的成就。

首先要说明为什么氮化物晶体材料，GaN，InN，AlN 以及他们的混合晶体是很重要的发光材料。由下面的禁带发光光谱（wavelength）和晶格（lattice）的图表可以看出，氮化物所覆盖的发光光谱范围是很宽的，是宽禁带的半导体材料，尤其是其混合晶体 InGaN 可以覆盖整个可见光光谱而 AlGaN 可以覆盖到深紫外光谱区，这在半导体光电材料中是具有突出的优势。

发展相对成熟的 III-V 族混合晶体例如 GaAs，InP 等其禁带带宽过小，远远达不到覆盖所有可见光的，尤其是达不到覆盖蓝光光谱的能力。虽然我们可以长出高质量的 III-V 晶体和器件，但是其永远不能覆盖短波长可见光谱，也就是永远不能用作白光 LED 的发光材料。一旦我们可以随意的制备氮化物晶体，那么覆盖整个可见光谱的半导体发光将会变的唾手可得。而半导体发光的节能效果甚为明显，LED 真正发光层只有几纳米到十几纳米厚，这么薄的材料里，能量再损失能损失多少。

但是，虽然 III-nitride 氮化物有如此魅力。但是由于其生长制备极其困难，相当长一段时间都是被忽视的。首先制备 GaN 的基板就很困难。做半导体器件，一定要有生长的基板，也就是发光材料依附的材料。像 Si，GaAs 之类的因为熔点低，可以通过高温溶解再提取的方法制备，其成本也不算高。

但是 GaN 是极其稳定的材料，其熔点高达 2791K,融解压 4.5GPa，如此的高温高压显然是极其困难。所以高质量的GaN晶体基板直到今天也是难题。高质量的氮化物基板现在无法量产，零星的产品也是死贵。

既然在同质基板上生长材料是不可能的，就要在非氮化物基板上生长氮化物材料。显然，由于晶格不匹配和温度形变不匹配等原因，在非氮化物基板，例如蓝宝石和硅晶体上，获得高质量可以实用的氮化物材料是很困难的。这也就是氮化物材料被忽视的重要原因。

这里就说为什么赤崎和天野先生的贡献能获得诺贝尔奖。当然现在氮化物领域是一个非常热门的研究领域，每次开国际学会都是乌央乌央的一坨一坨的人，而氮化物领域的照明，电子功率器件等都是相当大的产业，自然是搞氮化物的领域车水马龙，人丁兴旺。明年氮化物的国际学会在北京开，鉴于国内 LED 企业众多，估计参会人数会创历史新高吧。

虽然现在这个领域很红火，但是当年在赤崎先生坚持的时代，是一个彻头彻尾的冷门。当整个科学界都视这个研究方向为不可能课题的时候，仍然坚持的人是要有眼光和勇气的。

赤崎先生研究的就是在非氮化物基板，蓝宝石，晶体硅等材料上生长高质量的氮化镓外延层。其中一个非常重要的成果就是当时还是在读博士生的天野先生的研究成果。

他们用一层 100 纳米厚度的低质量 AlN 覆盖在蓝宝石基板上，然后再在 AlN 上面生长 GaN。由于 AlN 的缓冲作用，GaN 外延和蓝宝石基板的晶格不匹配被部分抵消，最终的 GaN 外延层质量大幅提高，其 GaN 外延层质量用作生长蓝光 LED 的基础已经毫无问题。GaN 基光电器件初见曙光。

(要是哪个实验室老板的方向具有划时代的意义，博士课题获得诺贝尔奖也不是不可能，可惜可遇不可求)

这个成果是在 1986 年发表的。而获得一个蓝光 LED 器件仅仅解决 GaN 层的问题是不够的。如下图所示，一个 LED 器件要有掺杂 p-GaN 和 n-GaN 以及混合晶体 InGaN 的生长，当时，因为研究氮化物并不是一个热点，这些问题都是空白的，有待继续研究。

此时，一个大侠横空出世，就是中村修二。如果说赤崎和天野让氮化物的研究有了希望，那么中村就是这个领域的独行侠和集大成者。

中村很牛，并非名牌大学毕业，当时并没有博士学位，而只是一个技术员。他当时觉得氮化物领域有前途，其主张获得了日亚公司的全力支持。而此君就像天神附体一般，短短的时间内，不但沿着天野的思路，创造了新的获得高质量 GaN 的方法，还解决了蓝光 LED 的各项关键技术，甚是直接做出了蓝光激光。

要知道在异质结基板上做激光器不是那么好做的，即使在同质结基板上的激光器（III-V 族激光器）也不是那么好做。可见日本公司的研究环境和研究能力是很牛的。日亚据此在氮化物领域获得了大量的专利。

当时由于这个研究领域刚起步，中村的速度又太快，所以氮化物器件研究的大师地位自然就是中村一人的。其实当时赤崎研究室和中村的研究是有竞争关系的，不过中村做的成绩更为耀眼一些。

其中，中村的制备高质量 GaN 外延薄膜技术如下图，用低温的 GaN(LT GaN)做缓冲层而不是天野的 AlN 做缓冲层，因为 GaN 结晶比 AlN 更为方便容易，所以此项技术在工程量产上有重大的意义。这篇文章当年发表在 JJAP 上，而且作者只有他自己。这个技术是很重要的成果，现在全世界各个大学实验室和公司依然用这个技术获得高质量的 GaN。

这里不得不说说发表文章的事儿，实际上好像在氮化物领域此三位重要的开拓性的人物，在他们获得重要成果的时代都没有发表过极高影响因子的文章。我个人觉得这个领域，后面所有人的研究其重要性都不可以和这个三人比。而这个 JJAP 现在国内好一点的大学已经看不上眼了。

而我个人感觉，中村这些突破之后，氮化物领域的真正大的突破几乎没有。但是高影响因子文章遍地都是。有些事情就是很奇怪。毫无任何实用价值的研究倒是乱发文章，当然这是我的个人偏见。

至于蓝光 LED 为什么重要，因为用蓝光可以激发荧光粉材料发出其他黄绿光谱的光，加上蓝光本身就成了现在商用的白光 LED。而这个是 InGaP 等红光 LED 做不到的，因为荧光粉的发光光谱只能由更短波长的光来激发，也就是只能是蓝光激发黄绿光，而不能由黄绿光激发蓝光。所以获得短波长的光是至关重要的。

所以这个诺贝尔奖颁给了蓝光 LED 的发明者而不是 LED 的发明者。因为对于应用意义上的白光 LED，显然这个奖是发给为人类节能照明事业贡献巨大的研究，其中蓝光贡献更大，更直接。

为什么不直接生长蓝光，黄绿光谱的 LED。理论上是可以不用荧光粉而只靠晶体本身发光而做到产生白光的。但是要制备发黄绿光的 LED 必须要高 In 组分的 InGaN，这在目前还是个难题。实际上如果能轻易获得高 In 组分的 InGaN。用氮化物做的太阳能其效率将会比现有技术大为提升。这里面受益的可能还有新发展的电解水的技术。

氮化物领域还有很多不完善的亟待解决的问题，例如非极性面生长，高 In 组分的 InGaN，GaN 基板这样制约着器件本身的成本和效率等问题。成本居高不下和效率和寿命提升的瓶颈正是阻碍其大规模商用化的关键。

在今年八月份的国际学会上，中村做的基调演讲，按照他的预测，非极性面的 GaN 基板将来会成为主流，若真是如此，氮化物领域还是有前途的，否则，各种新材料层出不穷，而氮化物器件的成本不能大幅降低而效率和寿命不能大幅提高的话，被新材料淘汰也是有可能的。

在电子功率器件等领域，氮化物还是有着很大的发展前景，其未来不只是局限于 LED 行业，我们生活中的很多方面都可能因为氮化物的应用而改观。其节能的特点，让其在人口暴增，能源需求暴增的时代，显得有格外重要的现实意义。

这个角度讲，三个氮化物领域的开拓性人物是值得获得诺贝尔奖的。可以想象，如果未来 LED 是人类照明事业的根本，那么这个技术少发明一天，人类要损失多少能源消耗。

现在很多人看来日本的这次诺贝尔奖来说日本科技如何强大，我倒不这么觉得，我反倒看到日本的科技是如何衰落的。中村这个毫无靓丽背景的技术员，创造了一个又一个奇迹，自己获得了蓝光之父的大师地位，除了靠着公司的支持，更多的是个人的创造力和能力问题。

但是，这个个人英雄却没有很好的融入日本社会，中村和日亚，甚至中村去加州大学当教授，而没有留在日本的大学，显然其中故事是耐人寻味的。如果中国有这样的技术大师，而大师成名之后，又远走美国，我只能说中国的科学技术界是有严重问题的。我倒是觉得，中国现在有这样的大师，各个大学会抢着要，这点比日本大学要好一些。而中村和 Cree 的关系来看，中村出走，对日亚到底有多大的损失也不好说。

另外，现在保守的日本企业还有多少空间能允许中村这样的人来发挥也不好说。而且这些研究成果都是在八九十年代，正是全球化还没有兴起，日本经济依然风头正劲的年代。而三人，尤其是中村身上的那种能闯能拼的大侠精神，现在在日本九零后身上还有多少也未可知。

中村这样的大师出走的故事，如果不是氮化物相关的人是不知道的，我也一直很想吐槽这件事。现在随着诺贝尔奖的效应，这个应该广为人知了，整个日本社会应该反思中村为什么出走，中村在出成果的时代显然还是日本人。本来应该是三个日本人获奖，这是日本科研界的荣耀。但是最终变为两个日本人和一个日本裔获奖，多少有点尴尬，背后原因值得日本社会好好玩味。