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能发蓝光的晶体，为什么还做不成好灯
把能发蓝光的晶体接上电，并不一定得到一盏好灯。电子束打上去会亮，只说明材料能把某些激发能量变成光。真正的发光二极管还得让电流顺利流入，把电子和空穴送到同一处，并让光从芯片里面出来。蓝光困难就卡在这几步相互牵连。
半导体里，电子通常占据价带；进入能量更高的导带后，可以在晶体中运动。两条能带之间的能量差叫带隙。价带少了一个电子，留下的空位也能移动，我们把它当作带正电的载流子，称为空穴。导带电子填进空穴，释放的能量有机会成为光子。下式中，光子能量由普朗克常数、光速和波长决定。波长约四百五十纳米的蓝光，每个光子携带约二点七六电子伏特；材料既要给出足够能量，也要有较大的发光跃迁概率。
来源：[1]
先垫一层，再长氮化镓
氮化镓带隙宽，本来很适合短波长发光，难处是先把晶体长好。蓝宝石能耐受生长时的高温和反应气氛，却与氮化镓的原子间距相差很大。直接在上面生长，薄膜容易粗糙、缺陷多。缺陷可能截走载流子，粗糙表面又给后续薄层和接触制造麻烦；带隙合适，还远远不够。
赤崎勇、天野浩团队先在较低温度下沉积一层很薄的氮化铝，再升温长氮化镓，一九八六年发表了结果。这层缓冲层改变了小晶粒起步和相互并合的方式，并没有把晶格失配凭空消掉。天野的讲稿把两种表面放在一起比较：没有缓冲层时晶粒粗糙，有了它，表面平整得多。中村修二后来发展氮化镓缓冲层和反应器方法。材料生长的进步，让后续实验终于能比较掺杂、注入和发光，减少了底层质量失控带来的干扰。
怎样确认流动的真是空穴
常见发光二极管把电子较多的 n 型区和空穴较多的 p 型区接在一起。正向加压后，两类载流子进入发光区。氮化镓比较容易得到电子导电，可靠的空穴导电却长期做不出来。即使掺入镁，也得让镁成为电学上有效的受主，才能在价带留下可移动空穴；数出镁原子，不等于数出了空穴。
一九八九年，天野等人用低能电子束处理掺镁氮化镓，得到了 p 型导电。这里关键的证据来自电测量。天野回忆，热探针给出的迹象还不足以令人信服，团队又测了霍尔效应：让样品通电，再加垂直磁场，载流子偏向一侧，横向便出现电压。在以一种载流子为主的解释下，电压符号可以判断它带什么电，结合电阻率和迁移率，才支持空穴导电。只看到一处发光更亮，得不到同样结论；外来光或电子束本身也能激发电子、空穴。
镁已经掺进去了，氢却把它封住了
中村的工作解释了镁为什么会失效。金属有机物生长法使用氨提供氮，氢也可能进入薄膜。氢与镁结合后形成复合体，把受主钝化了：化学分析能找到镁，电测量却找不到原本期待的空穴。在合适的无氢气氛中退火，氢能离开，p 型导电随之恢复；热退火结果发表于一九九二年。
这条解释把工艺操作和载流子测量连了起来。样品名义上的镁含量没变，退火气氛、温度一改，电学性质却明显改变，比“多掺一点镁，光变亮了”更能说明受主激活出了问题。热处理还能覆盖整片薄层。只有一小块区域导电，与整层都能供给空穴，对电流铺展和工作电压的影响很不一样。氢离开后，接触电阻、受主能否充分电离仍需解决；激活不是把所有电阻一次清零。
来源：[4]
发光区要留得住电子和空穴
晶体质量和 p 型导电改善后，才有条件设计一个专门发光的薄层。铟镓氮与周围氮化物的带隙不同，合适的能带台阶能把电子、空穴留在附近，增加它们相遇复合的机会。一九九四年坎德拉级蓝光器件采用了掺锌铟镓氮活性层和双异质结构。讲这项实验时，不能把它直接换成今天常见的多量子阱结构。
论文的证据也不只是一张亮灯照片。中村、向井和妹尾记录了光功率随正向电流的变化、发光光谱以及电流电压曲线。二十毫安时，报告光功率一点五毫瓦、正向电压三点六伏，外量子效率百分之二点七；光谱峰值约四百五十纳米，谱线有明显宽度。光谱告诉我们发出的是什么颜色，电测量告诉我们怎样把载流子送进去，校准后的光功率才告诉我们有多少光走出了器件。只在某个方向特别亮，还不能代替总光功率。
数光子和算电费，效率不是同一个数
外量子效率数的是：外电路每送来一个电子，有多少光子最终逃到器件外面。电光转换效率则算功率，比较输出多少瓦光、输入多少瓦电。这一关系先用较窄光谱近似，把光功率除以单个光子能量，换成每秒光子数；再与电流对应的电子数相比。电功率由电流与工作电压相乘得到。光谱较宽时，应按波长积分，单用峰值只能估算。
拿上述论文数据算，一点五毫瓦光功率除以七十二毫瓦电功率，电光转换效率约百分之二点一。用四百五十纳米的光子能量和论文给出的外量子效率，也得到相近估计。其余输入能量主要变成工作器件中的热。内辐射效率又是另一回事：它只问活性区已经发生的复合，有多少次发出了光。载流子没进活性区，是前面的注入损失；光在内部被困住或吸收，是后面的提取损失。外部效率一降，不能只凭一条曲线就断言是哪一步出了问题。
灯还在变亮，发光比例却可能下降
一个简化复合模型可以说明，为什么灯越来越亮，发光比例反而下降。先假定活性区均匀，电子和空穴浓度相等，其中的浓度就是这共同数值。一次项代表缺陷辅助损失，二次项代表电子与空穴的辐射复合，三次项代表一种高浓度损失。三个系数的单位不同，保证每一项都是单位体积、单位时间内的复合次数。稳态时，注入速率与总复合速率相等，辐射项占总数的比例便是模型中的内辐射效率。
低浓度时，一次损失占优势；增加注入，二次辐射过程赶上来，效率上升。浓度再高，若三次损失显著，发光比例又会下降。此时光子总数仍可能增加，灯看起来更亮，效率曲线却已经过了峰。实际氮化物器件里，载流子泄漏、分布不均和发热也会影响曲线。把三次系数拟合得很好，只说明这组数据可以用它概括，并不能单独证明俄歇复合就是唯一原因。要追问微观机制，还需额外测量载流子或能量分布。
灯发出的流明，不等于桌上的光
诺贝尔委员会的科学背景材料用“每瓦多少流明”来比较灯。流明衡量光通量，并按人眼对各种颜色的灵敏度加权。爱迪生的白炽灯约 16 lm/W，荧光灯管约 70；用蓝光 LED 激发荧光粉的白光 LED，到 2014 年已超过 300。同样 800 lm 的灯，做成白炽灯约耗电 50 W，做成这样的 LED 不到 3 W。
流明数的是离开灯的光。坐在桌前的人看到的，是落到桌面上的光，也就是照度，单位勒克斯，即每平方米多少流明。桌子长 1.2 m，上方 0.6 m 处挂一盏 800 lm 的 LED。只算直射光，灯正下方是 707 lx，桌角只有 135 lx：光随距离的平方散开，照到桌边时又是斜着落下的。灯发出的光只有 40 % 落在桌面上。阅读用的桌面一般要照到 500 lx 左右，而且要比较均匀。
能不能做到，要看光从哪里来。把灯升高，桌面变匀了，也变暗了。让同样的光从一块宽大的漫射面发出，灯面看上去暗了 900 倍，影子也变软，桌面却几乎没有变匀。三盏 800 lm 的灯沿桌面排开、挂在 0.85 m 高，不论是裸 LED 还是面板，平均照度都在 640 到 660 lx，最暗处约为平均值的三分之二。
从晶体生长到明亮蓝光
蓝光 LED 教学实验改变注入和复合系数，用同一组稳态载流子浓度计算光输出及效率，可以把画面变化和曲线一起看。几何与系数是教学设定；生长过程、镁氢化学、空间输运和自发热没有放进这组计算。另一个异质结实验单独考察给定界面势垒。二者能帮助理解带隙、注入与复合为何需要不同证据。一九八六年的生长、一九八九年的空穴导电和随后高亮度器件，回答的也正是不同问题。二〇一四年诺贝尔物理学奖表彰赤崎、天野和中村的高效蓝光二极管，以及它们为明亮节能白光源打开的道路。
一九八六年的缓冲层生长、一九八九年的空穴导电，以及后来的高亮度器件，逐步解决了材料、注入与发光相互牵连的难题。二〇一四年诺奖表彰赤崎、天野和中村的高效蓝光二极管，以及它们为明亮节能白光源打开的道路。蓝光的能量已经由波长说明，真正让它成为好灯的，是每一步都把更多电能送进能够逃出芯片的光。