让LED之光普照万家

2020-01-06乔占卫

科技创新与品牌 2020年11期

关键词：半导体芯片

乔占卫

2015年12月23日，青海果洛藏族自治州班玛县果芒村和玉树藏族自治州曲麻莱县长江村合闸通电，全国最后9614户3.98万无电人口用电问题得到解决。至此，“全民用电”记录到了中国电力发展的史册上。

在“10后”甚至“00后”的人生字典里，“停电”这个词已经随历史走远，“万家灯火”已经是再寻常不過的景象。

演艺界有句话，“台上一分钟，台下十年功”。无时不在的灯光背后，有电力人兢兢业业的努力，也有照明人锲而不舍的钻研。

2020年1月10日，2019年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重举行。中国科学院半导体照明研发中心主任李晋闽带领团队牵头联合完成的“高光效长寿命半导体照明关键技术与产业化”项目，荣获国家科技进步一等奖。

在新中国成立70周年国庆大阅兵和群众游行以及10月1日晚天安门广场的首都国庆联欢活动中，从世界上最大的一面五星红旗（5400平方米）到7棵25米高的烟火树、再到3290名群众演员每人举持的光影屏，以及天安门广场几乎所有的灯光效果，都采用LED技术。用到的技术，就是上文获奖项目的创新成果。

李晋闽曾在接受采访时提及，当时“天安门广场上几乎所有的光源，我们团队都有参与。”话语背后，透露的是自主创新的豪情。

这个项目，使半导体照明芯片由17年前完全依赖进口，发展到现在自主可控，并全面实现国产化。难怪他们拿到了科技领域最具权威性和影响力的国家科技进步一等奖。

不仅如此，目前我国半导体照明核心器件的国产化，使得近50%的传统光源被LED产品所取代，每年累计实现节电约2800亿度，这相当于3个三峡水利工程的发电量。

把昔日高高在上的高科技，做成了惠及大众的“白菜价”，让LED照明“飞入寻常百姓家”，李晋闽和他的团队，做到了真正意义上的学以致用——在科技工作者眼中，这或许比奖励来得更加珍贵且无价。

把14亿中国人排除在外吗？

1879年，爱迪生发明了白炽灯，人类进入了电气照明时代。

如果说这是人类史上的第一次照明革命的话，那么半导体发光二极管（简称LED）的出现，可以说是照明史上的第二次革命。

半导体发光二极管具有高光效、长寿命的特点，以LED为核心器件的半导体照明作为一种新兴技术，经过近十多年的发展，节能效果显著，电光转换效率是荧光灯的5倍，白炽灯的20倍。

然而，“17年前的一个光源要卖100多元，而一个射灯一般有3个光源，就需要300多元，普通家庭是用不起的。”

那时，发达国家围绕LED的研制早已展开激烈的技术竞赛，发布了诸如美国的“下一代照明计划”、欧盟的“彩虹计划”、日本的“21世纪光计划”等半导体照明发展计划。

我国处在什么水平？答案是：没有水平。

当时，中国半导体照明技术和产业发展几乎是一片空白。功率芯片全部依赖进口，研发缺乏目标方向，企业分散、缺乏技术研发能力，产业销售收入不足亿元……

“当时从国家到科学家个人，都受到国外的排挤，不愿意同我们合作。”李晋闽说。

就这样让14亿中国人被排除在第二次照明革命之外吗？

当然不能。这恰恰激发起了科技工作者奋发图强的斗志。

为抢占新兴产业的先机，提高新一代半导体材料与技术的国际竞争力，从“十五”开始，科技部率先支持了半导体照明技术和产业的发展。

2003年，科技部、原信息产业部、中科院、教育部、原建设部、轻工业联合会等单位联合成立了国家半导体照明工程协调领导小组，并紧急启动了“半导体照明工程”攻关项目，以近期解决特殊照明市场急需的产业化关键技术，中远期培育白光普通照明产业为目标，以应用促发展，推动形成有核心竞争力的中国半导体照明产业。

2006年8月，科技部在“十五”国家半导体照明工程实施的基础上，根据国家中长期科学和技术发展规划的部署和“十一五”科技发展规划，在“十一五”国家863计划新材料领域中设立“半导体照明工程”重大项目，目标是通过自主创新，突破白光照明部分核心专利，解决半导体照明市场急需的产业化共性关键技术，完善半导体照明产业链。

在中科院半导体照明研发中心平台基础上，2012年1月，半导体照明联合创新国家重点实验室正式建立。

这是我国第一个依托联盟建立的国家重点实验室，是一个体制机制完全创新的公共研发平台，始终坚持以产业价值为核心价值的理念，以产业技术创新需求为基础，以完善技术创新链为目标。

这个平台充分利用和整合现有资源，探索形成多种形式的政产学研用协同创新模式：

在这个平台上，企业以项目资金投入，科研机构、大学和其他社会组织以研发人员和设备的使用权投入，推动建立基础研究、应用研究、成果转化和产业化、先进技术标准研制紧密结合、协调发展机制探索持续性投入机制，逐步形成可持续发展的开放的、国际化的非营利研究实体，成为半导体照明的技术创新中心、人才培养中心、标准研制中心和产业化辐射中心。

有了这个平台，半导体照明的前路是否一片坦途了呢？

凝炼方向，锐意攻关有所成让时间倒回到2003年。

那时，中国的半导体照明工程刚刚起步，国内的半导体照明产品面临着电光转化效率低，长期工作可靠性差，关键技术被美日垄断。

“当时LED的光效与普通白炽灯的光效接近，大约为15lm/W。我们经过仔细调研认为，若要以LED灯作为照明灯，不仅要达到而且要超越节能灯的光效。”李晋闽说，“若要发展LED，就必须和现有最高光效的人造光源去对标。当时最高效的人造光源是约120lm/W的高压钠灯。因此，从15lm/W到120lm/W，使LED的光效提高8倍就是我们的目标。”

据说，爱迪生经历了13个月的艰苦奋斗，试验了7000多次，才造出电灯。与照明界的前辈走的路一样，李晋闽和他的团队也在经历反反复复的失败锤炼。

寻找光明，是他们的信仰。最终，团队取得了耀眼的成果——“十一五”结束时，团队的产业化大功率LED芯片光效已经超过100lm/W，达到与国际产业主流产品水平同步。

由于从上到下的重视，“十一五”期间，我国LED产业快速发展，半导体照明技术取得了重大进展。

2010年，我国LED相关专利申请共30682项，约占全球LED专利申请数量的27%，而且下游应用专利申请优势明显，应用方面专利约占总数的76%，其中道路等功能性照明应用领域已处于国际领先地位。

但是，面对激烈的国际竞争，挑战依然严峻。

重点实验室建立后，他们了解企业需求，凝炼出了4个研究方向，即：统一半导体照明产品规格接口，制定相关标准，实现不同厂家产品具备互换性;研究半导体照明产品可靠性测试方法，科学评价半导体照明产品各项性能指标;对半导体照明产品封装工艺进行研究，解决照明舒适安全问题;开展前瞻性研究，对代表未来发展方向的三维封装、立体封装进行研究，以降低产品成本。

实验室拥有从MOCVD外延、芯片开发、高效大功率封装到测试分析较完整的工艺线。利用这一优势，打造产业共性技术研发平台成为了他们的努力方向。

李晋闽带领团队着力解决光提取效率低、衬底导热性差、异质外延失配度大、p型掺杂离化率低的关键技术难题，取得了外延芯片的核心技术突破。

他们发明了国际首创宽光谱、全向复合光学膜结构及制备技术;研制成功国际首创的金属复合衬底，实现极低热阻LED芯片结构;提出微纳图形衬底二次成核外延技术、极化诱导3D空穴气p型掺杂技术，外延材料晶体质量达到国际同期最好水平。该成果开创并推动了我国半导体照明研发及产业从无到有的快速发展，获2014年国家技术发明二等奖。

到2015年，我国在LED照明上，实现了从基础研究、前沿技术、应用技术到产业化示范全创新链的重点技术突破。

此后，李晉闽带领团队开展产学研合作攻关，从半导体照明芯片、封装、模组与应用全链条开展技术攻关，形成了自主可控的高光效长寿命半导体照明成套技术，关键技术指标处于国际领先水平。目前，已实现了252lm/W的高光效LED芯片与全球最大规模量产，达到同类技术下的国际领先水平。

李晋闽说：“目前，基于我们团队成果的LED封装器件经过85摄氏度、6000小时的可靠性测试后，光衰小于2%，光电性能可靠性得到大幅提高。”而价格只有原来的1/400，实现了真正的高科技，“白菜价”。

在北京奥运会、十城万盏示范工程、人民大会堂照明系统节能改造工程、APEC峰会、俄罗斯世界杯、索契冬奥会、国家奥林匹克体育场、上海世博会、广州亚运会主会场、京沪高铁等重大工程中，他们的成果相继实现规模化示范应用，节能效果显著。

不仅如此，研发成果还强有力地推动了全链条产业化大发展，高效推动我国半导体照明战略性新兴产业从无到有、从弱到强，打造了外延芯片与国际并跑、应用产品领跑的产业新格局，使半导体照明成为我国少数具有国际竞争力的高科技领域。形成年产4英寸外延芯片1000万片、封装器件1200亿只、光源模组5000万套的规模，外延芯片份额超过美、日、欧总和，列全球首位。

项目技术成果形成了全球最大的LED照明产品生产基地，项目合作单位近十年经济效益增长逾20倍，近三年新增经济效益451亿元，利润84.6亿元，推动下游应用市场产值3700亿元。

项目成果累计节电3300亿度，减少碳排放3亿吨。

他们的成果，实现了中国照明产业的转型升级和照明产品的更新换代，使得半导体照明产品走入千家万户。并且引领了全球半导体照明技术的应用，产品出口至欧美、日本等国家和地区，打破了国际垄断。

始于照明，超越照明

李晋闽说：“实际上LED光效早已超过了当初设定的8倍目标，跨越了16倍的距离，这是团队每一个成员奋斗所得的荣光。”

这种荣光将怎样传承？

接下来，该团队将继续攻克基于LED的超越照明。

超越照明，LED有哪些用武之地？

上至大飞机，下至汽车光测距，远至南极科考，近至医疗美容、植物照明……业内专家认为，半导体照明技术应用涉及信息、交通、医疗、农业等领域，其数字化的特性是即将到来的物联网时代的技术支撑之一：

基于紫外LED的超越照明技术，可用于光固化、杀菌、消毒、医学光照疗法等;

基于LED的医学光疗技术，在神经、血管、皮肤和人体代谢等重大疾病的治疗和人体健康保健方面，应用不断增多;

基于LED的植物生长技术和病虫害控制技术;