神奇的第三代半導(dǎo)體

●從火把開始，人類如何尋找光明？

同學(xué)們，大家好！歡迎來到《大學(xué)》，今天我想跟大家交流的是神奇的第三代半導(dǎo)體。

在介紹第三代半導(dǎo)體之前，我先給大家介紹兩個(gè)在廈門大學(xué)校園里的故事。同學(xué)們進(jìn)入廈門大學(xué)以后，都會看到在廈門大學(xué)校園里面有兩棟樓，一棟叫做囊螢樓，一棟叫做映雪樓，是取自于中國古代兩個(gè)非常著名的故事。

“囊螢”講的是晉代一位叫做車胤的青年。因?yàn)榧依锔F，晚上讀書的時(shí)候沒有照明的燈。怎么辦呢？夏天他就用一個(gè)布囊，到野外去采集螢火蟲，用螢火蟲的光來照亮他讀的書，所以這個(gè)故事叫“囊螢”。

“映雪”講的是冬天到雪地里用雪反射微弱的光線來讀書，所以叫做“映雪”。

在廈門大學(xué)校園里面還有另外一個(gè)故事。

1937年，抗戰(zhàn)開始以后，因?yàn)閺B門島受到了日軍威脅，所以當(dāng)時(shí)薩本棟校長就決定廈門大學(xué)整體搬遷到閩西的一個(gè)小城——長汀。但是搬過去以后，整個(gè)城里沒有電燈，學(xué)生學(xué)習(xí)沒有電燈照明，薩本棟校長就把政府配給他自己用的一輛小汽車?yán)锩娴陌l(fā)動(dòng)機(jī)拆下來發(fā)電。

這個(gè)就是薩校長的那輛小汽車。這就是原來的照片。這個(gè)就解決了當(dāng)時(shí)學(xué)生在長汀上學(xué)時(shí)照明的問題。

所以當(dāng)時(shí)大家都說，薩校長給大家送來了燈光。

這兩個(gè)故事串起來都有一個(gè)主題，這個(gè)主題是什么？就是照明。

人類的照明可以說經(jīng)歷了一個(gè)非常長期、復(fù)雜的演變過程，人類的照明史或者說照明的技術(shù)發(fā)展史，就是人類文明史的一個(gè)縮影。

大家可能知道，最早的照明是來自于什么？都是利用自然光源。最早用太陽來照明，可以用篝火、火把。所有這些都是天然產(chǎn)物，利用自然的光源進(jìn)行照明。

一直到了19世紀(jì)，到了1878年，人類才第一次有了我們今天看到的白熾燈，照明進(jìn)入了“電氣時(shí)代”，真正可以用我們完全可控的方式實(shí)現(xiàn)照明。

今天的白熾燈比過去已經(jīng)有了進(jìn)步，但是因?yàn)槲锢砩系南拗?，它發(fā)光的效率依然很難突破15%的大家公認(rèn)的界限。

后來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)明了水銀燈。水銀燈它跟白熾燈的照明機(jī)理就不一樣。水銀燈是靠激發(fā)氣體，它是一種輝光放電、氣體放電發(fā)光。比起白熾燈效率要高一些，但是它的效率按照今天的觀點(diǎn)來看也是有上限的。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，一方面人類希望能夠提升發(fā)光的效率，另外一方面我們也希望發(fā)展全固體的燈。它很耐用，同時(shí)一般情況下它的壽命也會很長。這個(gè)時(shí)候，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，LED也應(yīng)運(yùn)而生。

我們廈門承辦金磚會晤這個(gè)會議的時(shí)候，整個(gè)廈門市也被裝點(diǎn)得非常漂亮，而裝點(diǎn)它的最主要電光源就是LED。

●從手機(jī)到航天飛船，現(xiàn)代社會為何離不開它？

從半導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，特別是從半導(dǎo)體進(jìn)入大規(guī)模的生產(chǎn)、應(yīng)用到今天，大體上經(jīng)過了三代，通常都稱它們?yōu)榈谝淮雽?dǎo)體、第二代半導(dǎo)體、第三代半導(dǎo)體。

第一代半導(dǎo)體大家都比較熟悉，最典型的就是硅。今天我們所用的各種半導(dǎo)體器件里，有超過90%的產(chǎn)品都是用硅來做的。硅的特點(diǎn)，第一是工藝非常成熟，技術(shù)上很成熟；第二是它相對來說比較便宜，它的原材料就是二氧化硅，各種砂子都可以用來提煉出硅。但是從物理學(xué)家角度來看，這個(gè)材料也有它的局限性，就是硅很難發(fā)光，它的發(fā)光效率很低，很難讓它發(fā)出我們所需要的光。所以第一代半導(dǎo)體，通常不能用來做發(fā)光器件。

第二代半導(dǎo)體，我們早期也稱之為化合物半導(dǎo)體，主要的代表是砷化鎵、磷化銦這樣的半導(dǎo)體。第二代半導(dǎo)體和硅的差別是什么呢？就是第二代半導(dǎo)體因?yàn)樗哪芰块g隔，比起第一代半導(dǎo)體來說又寬了一點(diǎn)，就使得它有各種組合的方式。因此用第二代半導(dǎo)體通過不同的組合方式，就有可能實(shí)現(xiàn)比我們現(xiàn)在看到的大面積光伏電池有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。我們現(xiàn)在看到的大面積使用的硅的太陽能電池板一般在20%，好的可以到22%，如果用化合物半導(dǎo)體可以做到40%以上。

而現(xiàn)在中國上天的這些材料，無論是飛船，還是我們的空間站，像嫦娥、玉兔、月球車等等，用到的太陽能電池板都是用化合物半導(dǎo)體做的。這個(gè)技術(shù)廈門大學(xué)也做了非常大的貢獻(xiàn)，現(xiàn)在有70%的器件就是由廈門大學(xué)和合作單位來供應(yīng)的。這個(gè)技術(shù)的主要貢獻(xiàn)者就是廈門大學(xué)的康俊勇教授，他今天也參加了我們的活動(dòng)。以上我講的是第二代半導(dǎo)體。

我們現(xiàn)在講的第三代半導(dǎo)體是什么樣的材料呢？第三代半導(dǎo)體最典型的代表就是氮化物半導(dǎo)體，特別是氮化鎵，以及跟它相關(guān)的氮化鋁、氮化銦。三族氮化物半導(dǎo)體是最典型的第三代半導(dǎo)體。有了這個(gè)氮化物半導(dǎo)體，我們就可以發(fā)展藍(lán)光的LED，發(fā)展綠光的LED，以及通過組合，發(fā)展白光的LED。我們今天看到的各種五彩繽紛的顯示屏，大部分手機(jī)其實(shí)也都是用的液晶屏，背后的光源都是LED的。

正是因?yàn)橛辛薒ED技術(shù)，特別是第三代半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)的、能夠發(fā)出各種各樣顏色光的LED的技術(shù)，我們才有了今天五彩繽紛的世界，我們才能看到流光溢彩的建筑照明，才能看到那么美麗的城市景觀。

●2000億度！有了它一年能省這么多電

LED的發(fā)展過程一方面是尋求電光源，叫“照明革命”，尋求照明技術(shù)的突破。但實(shí)際上另外還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，就是固態(tài)照明技術(shù)變成一個(gè)非常好的節(jié)能減排技術(shù)，LED變成一個(gè)低碳光源。******指出：“我們要加快推進(jìn)節(jié)能減排和污染防治，給子孫后代留下天藍(lán)、地綠、水凈的美好家園。”LED技術(shù)，恰恰就是為改善我們的環(huán)境，減少能量消耗，從而為我們的生態(tài)文明建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

LED節(jié)能的效果如何呢？非常了不得。2017年，我們因?yàn)橥茝V了LED，全中國實(shí)現(xiàn)節(jié)電將近2000億度。這個(gè)數(shù)字接近了2014年澳大利亞全國的用電量，所以這是一個(gè)非常了不起的成就。