讓LED之光普照萬家

2020-01-06 03:36:12喬占衛

科技創新與品牌 2020年11期

喬占衛

2015年12月23日，青海果洛藏族自治州班瑪縣果芒村和玉樹藏族自治州曲麻萊縣長江村合閘通電，全國最后9614戶3.98萬無電人口用電問題得到解決。至此，“全民用電”記錄到了中國電力發展的史冊上。

在“10后”甚至“00后”的人生字典里，“停電”這個詞已經隨歷史走遠，“萬家燈火”已經是再尋常不過的景象。

演藝界有句話，“臺上一分鐘，臺下十年功”。無時不在的燈光背后，有電力人兢兢業業的努力，也有照明人鍥而不舍的鉆研。

2020年1月10日，2019年度國家科學技術獎勵大會在北京人民大會堂隆重舉行。中國科學院半導體照明研發中心主任李晉閩帶領團隊牽頭聯合完成的“高光效長壽命半導體照明關鍵技術與產業化”項目，榮獲國家科技進步一等獎。

在新中國成立70周年國慶大閱兵和群眾游行以及10月1日晚天安門廣場的首都國慶聯歡活動中，從世界上最大的一面五星紅旗（5400平方米）到7棵25米高的煙火樹、再到3290名群眾演員每人舉持的光影屏，以及天安門廣場幾乎所有的燈光效果，都采用LED技術。用到的技術，就是上文獲獎項目的創新成果。

李晉閩曾在接受采訪時提及，當時“天安門廣場上幾乎所有的光源，我們團隊都有參與。”話語背后，透露的是自主創新的豪情。

這個項目，使半導體照明芯片由17年前完全依賴進口，發展到現在自主可控，并全面實現國產化。難怪他們拿到了科技領域最具權威性和影響力的國家科技進步一等獎。

不僅如此，目前我國半導體照明核心器件的國產化，使得近50%的傳統光源被LED產品所取代，每年累計實現節電約2800億度，這相當于3個三峽水利工程的發電量。

把昔日高高在上的高科技，做成了惠及大眾的“白菜價”，讓LED照明“飛入尋常百姓家”，李晉閩和他的團隊，做到了真正意義上的學以致用——在科技工作者眼中，這或許比獎勵來得更加珍貴且無價。

把14億中國人排除在外嗎？

1879年，愛迪生發明了白熾燈，人類進入了電氣照明時代。

如果說這是人類史上的第一次照明革命的話，那么半導體發光二極管（簡稱LED）的出現，可以說是照明史上的第二次革命。

半導體發光二極管具有高光效、長壽命的特點，以LED為核心器件的半導體照明作為一種新興技術，經過近十多年的發展，節能效果顯著，電光轉換效率是熒光燈的5倍，白熾燈的20倍。

然而，“17年前的一個光源要賣100多元，而一個射燈一般有3個光源，就需要300多元，普通家庭是用不起的。”

那時，發達國家圍繞LED的研制早已展開激烈的技術競賽，發布了諸如美國的“下一代照明計劃”、歐盟的“彩虹計劃”、日本的“21世紀光計劃”等半導體照明發展計劃。

我國處在什么水平？答案是：沒有水平。

當時，中國半導體照明技術和產業發展幾乎是一片空白。功率芯片全部依賴進口，研發缺乏目標方向，企業分散、缺乏技術研發能力，產業銷售收入不足億元……

“當時從國家到科學家個人，都受到國外的排擠，不愿意同我們合作。”李晉閩說。

就這樣讓14億中國人被排除在第二次照明革命之外嗎？

當然不能。這恰恰激發起了科技工作者奮發圖強的斗志。

為搶占新興產業的先機，提高新一代半導體材料與技術的國際競爭力，從“十五”開始，科技部率先支持了半導體照明技術和產業的發展。

2003年，科技部、原信息產業部、中科院、教育部、原建設部、輕工業聯合會等單位聯合成立了國家半導體照明工程協調領導小組，并緊急啟動了“半導體照明工程”攻關項目，以近期解決特殊照明市場急需的產業化關鍵技術，中遠期培育白光普通照明產業為目標，以應用促發展，推動形成有核心競爭力的中國半導體照明產業。

2006年8月，科技部在“十五”國家半導體照明工程實施的基礎上，根據國家中長期科學和技術發展規劃的部署和“十一五”科技發展規劃，在“十一五”國家863計劃新材料領域中設立“半導體照明工程”重大項目，目標是通過自主創新，突破白光照明部分核心專利，解決半導體照明市場急需的產業化共性關鍵技術，完善半導體照明產業鏈。

在中科院半導體照明研發中心平臺基礎上，2012年1月，半導體照明聯合創新國家重點實驗室正式建立。

這是我國第一個依托聯盟建立的國家重點實驗室，是一個體制機制完全創新的公共研發平臺，始終堅持以產業價值為核心價值的理念，以產業技術創新需求為基礎，以完善技術創新鏈為目標。

這個平臺充分利用和整合現有資源，探索形成多種形式的政產學研用協同創新模式：

在這個平臺上，企業以項目資金投入，科研機構、大學和其他社會組織以研發人員和設備的使用權投入，推動建立基礎研究、應用研究、成果轉化和產業化、先進技術標準研制緊密結合、協調發展機制探索持續性投入機制，逐步形成可持續發展的開放的、國際化的非營利研究實體，成為半導體照明的技術創新中心、人才培養中心、標準研制中心和產業化輻射中心。

有了這個平臺，半導體照明的前路是否一片坦途了呢？

凝煉方向，銳意攻關有所成讓時間倒回到2003年。

那時，中國的半導體照明工程剛剛起步，國內的半導體照明產品面臨著電光轉化效率低，長期工作可靠性差，關鍵技術被美日壟斷。

“當時LED的光效與普通白熾燈的光效接近，大約為15lm/W。我們經過仔細調研認為，若要以LED燈作為照明燈，不僅要達到而且要超越節能燈的光效。”李晉閩說，“若要發展LED，就必須和現有最高光效的人造光源去對標。當時最高效的人造光源是約120lm/W的高壓鈉燈。因此，從15lm/W到120lm/W，使LED的光效提高8倍就是我們的目標。”

據說，愛迪生經歷了13個月的艱苦奮斗，試驗了7000多次，才造出電燈。與照明界的前輩走的路一樣，李晉閩和他的團隊也在經歷反反復復的失敗錘煉。

尋找光明，是他們的信仰。最終，團隊取得了耀眼的成果——“十一五”結束時，團隊的產業化大功率LED芯片光效已經超過100lm/W，達到與國際產業主流產品水平同步。

由于從上到下的重視，“十一五”期間，我國LED產業快速發展，半導體照明技術取得了重大進展。

2010年，我國LED相關專利申請共30682項，約占全球LED專利申請數量的27%，而且下游應用專利申請優勢明顯，應用方面專利約占總數的76%，其中道路等功能性照明應用領域已處于國際領先地位。

但是，面對激烈的國際競爭，挑戰依然嚴峻。

重點實驗室建立后，他們了解企業需求，凝煉出了4個研究方向，即：統一半導體照明產品規格接口，制定相關標準，實現不同廠家產品具備互換性;研究半導體照明產品可靠性測試方法，科學評價半導體照明產品各項性能指標;對半導體照明產品封裝工藝進行研究，解決照明舒適安全問題;開展前瞻性研究，對代表未來發展方向的三維封裝、立體封裝進行研究，以降低產品成本。

實驗室擁有從MOCVD外延、芯片開發、高效大功率封裝到測試分析較完整的工藝線。利用這一優勢，打造產業共性技術研發平臺成為了他們的努力方向。

李晉閩帶領團隊著力解決光提取效率低、襯底導熱性差、異質外延失配度大、p型摻雜離化率低的關鍵技術難題，取得了外延芯片的核心技術突破。

他們發明了國際首創寬光譜、全向復合光學膜結構及制備技術;研制成功國際首創的金屬復合襯底，實現極低熱阻LED芯片結構;提出微納圖形襯底二次成核外延技術、極化誘導3D空穴氣p型摻雜技術，外延材料晶體質量達到國際同期最好水平。該成果開創并推動了我國半導體照明研發及產業從無到有的快速發展，獲2014年國家技術發明二等獎。

到2015年，我國在LED照明上，實現了從基礎研究、前沿技術、應用技術到產業化示范全創新鏈的重點技術突破。

此后，李晉閩帶領團隊開展產學研合作攻關，從半導體照明芯片、封裝、模組與應用全鏈條開展技術攻關，形成了自主可控的高光效長壽命半導體照明成套技術，關鍵技術指標處于國際領先水平。目前，已實現了252lm/W的高光效LED芯片與全球最大規模量產，達到同類技術下的國際領先水平。

李晉閩說：“目前，基于我們團隊成果的LED封裝器件經過85攝氏度、6000小時的可靠性測試后，光衰小于2%，光電性能可靠性得到大幅提高。”而價格只有原來的1/400，實現了真正的高科技，“白菜價”。

在北京奧運會、十城萬盞示范工程、人民大會堂照明系統節能改造工程、APEC峰會、俄羅斯世界杯、索契冬奧會、國家奧林匹克體育場、上海世博會、廣州亞運會主會場、京滬高鐵等重大工程中，他們的成果相繼實現規模化示范應用，節能效果顯著。

不僅如此，研發成果還強有力地推動了全鏈條產業化大發展，高效推動我國半導體照明戰略性新興產業從無到有、從弱到強，打造了外延芯片與國際并跑、應用產品領跑的產業新格局，使半導體照明成為我國少數具有國際競爭力的高科技領域。形成年產4英寸外延芯片1000萬片、封裝器件1200億只、光源模組5000萬套的規模，外延芯片份額超過美、日、歐總和，列全球首位。

項目技術成果形成了全球最大的LED照明產品生產基地，項目合作單位近十年經濟效益增長逾20倍，近三年新增經濟效益451億元，利潤84.6億元，推動下游應用市場產值3700億元。

項目成果累計節電3300億度，減少碳排放3億噸。

他們的成果，實現了中國照明產業的轉型升級和照明產品的更新換代，使得半導體照明產品走入千家萬戶。并且引領了全球半導體照明技術的應用，產品出口至歐美、日本等國家和地區，打破了國際壟斷。

始于照明，超越照明

李晉閩說：“實際上LED光效早已超過了當初設定的8倍目標，跨越了16倍的距離，這是團隊每一個成員奮斗所得的榮光。”

這種榮光將怎樣傳承？

接下來，該團隊將繼續攻克基于LED的超越照明。

超越照明，LED有哪些用武之地？

上至大飛機，下至汽車光測距，遠至南極科考，近至醫療美容、植物照明……業內專家認為，半導體照明技術應用涉及信息、交通、醫療、農業等領域，其數字化的特性是即將到來的物聯網時代的技術支撐之一：

基于紫外LED的超越照明技術，可用于光固化、殺菌、消毒、醫學光照療法等;

基于LED的醫學光療技術，在神經、血管、皮膚和人體代謝等重大疾病的治療和人體健康保健方面，應用不斷增多;

基于LED的植物生長技術和病蟲害控制技術;