江風(fēng)益：高光效黃光LED為半導(dǎo)體照明帶來(lái)新活力

諸玲珍

新晉院士話產(chǎn)業(yè)

今年5月，記者在南昌參觀了江風(fēng)益教授領(lǐng)銜的國(guó)家硅基LED工程技術(shù)研究中心。當(dāng)江教授帶著我們走到習(xí)近平總書記親自為他頒獎(jiǎng)的照片前時(shí)，顯得非常激動(dòng)。2016年1月8日，他牽頭完成的硅基氮化鎵藍(lán)光LED項(xiàng)目獲得2015年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，習(xí)總書記在人民大會(huì)堂為他頒獎(jiǎng);不到1個(gè)月的2月3日，習(xí)總書記視察他建立的LED實(shí)驗(yàn)室。2019年11月22日，他從中國(guó)科學(xué)院白春禮院長(zhǎng)手中接過(guò)中國(guó)科學(xué)院院士證書;三天后的11月25日，他獲得國(guó)際半導(dǎo)體照明聯(lián)盟授予的“全球半導(dǎo)體照明突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。

所有這一切都是對(duì)他30年辛勤付出的回報(bào)。在談到未來(lái)時(shí)，江風(fēng)益院士更是滿懷信心：“可見(jiàn)光LED光效還有進(jìn)一步提升的空間，我國(guó)LED和LED照明從業(yè)者應(yīng)該有更遠(yuǎn)大的理想。”

與“發(fā)光”結(jié)緣立志發(fā)展新技術(shù)路線

1987年，江風(fēng)益到中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春物理研究所（現(xiàn)光機(jī)物理所）攻讀碩士學(xué)位，從那時(shí)起，他就和“發(fā)光”結(jié)下了一生情緣。畢業(yè)后，他回到家鄉(xiāng)江西，在紅土地上踏上了他的LED研究征程。

LED——發(fā)光二極管，是一種節(jié)能環(huán)保的冷光源，具有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、體積小、可靠性高、響應(yīng)速度快和應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)際上的LED照明芯片技術(shù)路線，由日本為主發(fā)展起來(lái)的藍(lán)寶石襯底LED和美國(guó)為主發(fā)展起來(lái)的碳化硅襯底LED所主導(dǎo)。

江風(fēng)益想發(fā)展一條新的技術(shù)路線，避開(kāi)與這兩條技術(shù)路線正面競(jìng)爭(zhēng)。在硅上制備高光效GaN基LED曾經(jīng)是學(xué)術(shù)界夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。由于硅和GaN巨大的晶格失配和熱失配導(dǎo)致的外延膜龜裂、晶體質(zhì)量差，襯底不透明導(dǎo)致的發(fā)光效率低等問(wèn)題，讓當(dāng)時(shí)業(yè)界普遍認(rèn)為，在硅上制備高光效GaN基LED是不可能的。江風(fēng)益對(duì)他的團(tuán)隊(duì)說(shuō)：“我們要把不可能變成可能，創(chuàng)造LED照明芯片第三條技術(shù)路線?！?003年年底，追蹤藍(lán)寶石襯底LED技術(shù)已有7年的江風(fēng)益團(tuán)隊(duì)，把目光對(duì)準(zhǔn)了硅基氮化鎵LED技術(shù)。

推動(dòng)硅基氮化鎵藍(lán)光LED產(chǎn)業(yè)化

自2003年起，江教授就開(kāi)始專注于硅基氮化鎵LED研究。從此，他和團(tuán)隊(duì)把實(shí)驗(yàn)樓當(dāng)成了家。熟悉他的人都知道，他在樓里搞了個(gè)小食堂，辦公室里擺了張床，經(jīng)常一個(gè)星期不出房。從設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)到中試，從中試到小規(guī)模量產(chǎn)……數(shù)千次實(shí)驗(yàn)，貫穿了無(wú)數(shù)個(gè)晝夜。

功夫不負(fù)有心人。2004年他在國(guó)際上率先研制成功高光效硅襯底藍(lán)光LED，2006年與王敏博士一道創(chuàng)辦了晶能光電公司推動(dòng)硅襯底藍(lán)光LED產(chǎn)業(yè)化。2007年推出了國(guó)際上首只商用硅襯底藍(lán)光LED，2009年推出了國(guó)際上首只硅襯底大功率藍(lán)光LED。

硅襯底薄膜型LED芯片因其出光方向性優(yōu)勢(shì)，在手機(jī)閃光燈、強(qiáng)光手電、路燈、礦燈等領(lǐng)域獲得了比較廣泛的應(yīng)用。2015年，高光效硅襯底藍(lán)光LED成果獲得2015年度中國(guó)國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)中唯一的一等獎(jiǎng)。

高光效黃光LED將有更大作為

長(zhǎng)期以來(lái)，LED在黃綠光波段，特別是黃光波段，發(fā)光效率一直非常低，這一現(xiàn)象也被稱作為

“Green gap”，國(guó)際上幾十年來(lái)未有明顯突破。在高光效硅襯底藍(lán)光LED獲得成功后，江風(fēng)益將新的目標(biāo)瞄準(zhǔn)高光效黃光LED這一世界性難題。“長(zhǎng)期富藍(lán)光照射對(duì)人體生理是有一定危害的。因此，隨著近年來(lái)技術(shù)的改善，黃光LED發(fā)光效率逐漸提升，采用純LED發(fā)光的時(shí)代正在到來(lái)，在部分市場(chǎng)正逐漸替代現(xiàn)有的主流技術(shù)。”在提到高光效黃光LED的開(kāi)發(fā)時(shí)江風(fēng)益表示。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了專用MOCVD裝備，利用硅襯底帶來(lái)的張應(yīng)力，引入新準(zhǔn)備層，提出了新理念，解決了銦鎵氮黃光量子阱材料生長(zhǎng)溫度低、壓應(yīng)力過(guò)大、易相分離等難題，于2016年成功地將黃光LED的光功率效率（簡(jiǎn)稱光效）從之前國(guó)際上最高不到10%提升到21%～30%

（130～180lm/W，20～2A/cm2），成果被國(guó)際半導(dǎo)體照明聯(lián)盟評(píng)為2016—2017年全球半導(dǎo)體照明年度大事。

“可見(jiàn)黃光LED光效還有進(jìn)一步提升的空間，我國(guó)在LED和LED照明領(lǐng)域應(yīng)該有更大的作為?！苯L(fēng)益在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示。近3年來(lái)，他們的團(tuán)隊(duì)在光效的提高上開(kāi)展了大量工作，并取得有目共睹的成績(jī)。目前硅基氮化鎵綠光（520nm）、黃光（565nm）、橙光（585nm）LED在20A/cm2電流密度下光效分別達(dá)到46.1%

（202lm/W）、26.7%（164lm/W）、15%（75lm/W）;在2A/cm2電流密度下，綠光（528nm）、黃光（575nm）、橙光（590nm）LED光效分別高達(dá)61.9%（312lm/W）、41.4%（239lm/W）、18.8%（81lm/W）。他們組合高光效黃光、紅光LED，成功開(kāi)發(fā)了超低色溫、無(wú)熒光粉、無(wú)藍(lán)光的金黃光LED照明光源。該光源用于路燈、街燈等市政照明，色調(diào)與傳統(tǒng)的高壓鈉燈接近，兼容夜間照明低色溫氛圍，減少了高色溫LED燈帶來(lái)的光污染;其高穿透性有助于提升道路行車安全系數(shù)，特別是在雨、霧、霾的環(huán)境中大大提高了道路的照明質(zhì)量，已在國(guó)內(nèi)十多個(gè)城市應(yīng)用?！敖瘘S光源用于家居照明，避免了富藍(lán)光LED短波長(zhǎng)光危害的風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊?！苯L(fēng)益表示。

此外，可見(jiàn)光通信、智慧情景照明等領(lǐng)域也是LED大顯身手的舞臺(tái)。為此，江風(fēng)益團(tuán)隊(duì)利用高效硅基氮化鎵藍(lán)、青、綠、黃光LED以及轉(zhuǎn)移至硅基板上的鋁鎵銦磷紅光LED，實(shí)現(xiàn)了無(wú)熒光粉多基色白光LED照明光源，具有響應(yīng)速度快、多信道、光譜可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

2019年7月，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)UCSB教授中村修二在半導(dǎo)體照明大會(huì)上公開(kāi)稱贊：“南昌大學(xué)發(fā)明了發(fā)光效率世界最高的黃光LED，技術(shù)水平國(guó)際領(lǐng)先，這是中國(guó)人的一項(xiàng)非常大的發(fā)明，它有非常大的價(jià)值?！?019年11月25日，經(jīng)中村修二教授推薦，江風(fēng)益獲得國(guó)際半導(dǎo)體照明聯(lián)盟授予的“全球半導(dǎo)體照明突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。