讓LED之光普照萬(wàn)家

喬占衛(wèi)

2015年12月23日，青海果洛藏族自治州班瑪縣果芒村和玉樹(shù)藏族自治州曲麻萊縣長(zhǎng)江村合閘通電，全國(guó)最后9614戶(hù)3.98萬(wàn)無(wú)電人口用電問(wèn)題得到解決。至此，“全民用電”記錄到了中國(guó)電力發(fā)展的史冊(cè)上。

在“10后”甚至“00后”的人生字典里，“停電”這個(gè)詞已經(jīng)隨歷史走遠(yuǎn)，“萬(wàn)家燈火”已經(jīng)是再尋常不過(guò)的景象。

演藝界有句話(huà)，“臺(tái)上一分鐘，臺(tái)下十年功”。無(wú)時(shí)不在的燈光背后，有電力人兢兢業(yè)業(yè)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(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在北京人民大會(huì)堂隆重舉行。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體照明研發(fā)中心主任李晉閩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)牽頭聯(lián)合完成的“高光效長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體照明關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，榮獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

在新中國(guó)成立70周年國(guó)慶大閱兵和群眾游行以及10月1日晚天安門(mén)廣場(chǎng)的首都國(guó)慶聯(lián)歡活動(dòng)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(shù)、再到3290名群眾演員每人舉持的光影屏，以及天安門(mén)廣場(chǎng)幾乎所有的燈光效果，都采用LED技術(shù)。用到的技術(shù)，就是上文獲獎(jiǎng)項(xiàng)目的創(chuàng)新成果。

李晉閩曾在接受采訪(fǎng)時(shí)提及，當(dāng)時(shí)“天安門(mén)廣場(chǎng)上幾乎所有的光源，我們團(tuán)隊(duì)都有參與?！痹?huà)語(yǔ)背后，透露的是自主創(chuàng)新的豪情。

這個(gè)項(xiàng)目，使半導(dǎo)體照明芯片由17年前完全依賴(lài)進(jìn)口，發(fā)展到現(xiàn)在自主可控，并全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。難怪他們拿到了科技領(lǐng)域最具權(quán)威性和影響力的國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

不僅如此，目前我國(guó)半導(dǎo)體照明核心器件的國(guó)產(chǎn)化，使得近50%的傳統(tǒng)光源被LED產(chǎn)品所取代，每年累計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)電約2800億度，這相當(dāng)于3個(gè)三峽水利工程的發(fā)電量。

把昔日高高在上的高科技，做成了惠及大眾的“白菜價(jià)”，讓LED照明“飛入尋常百姓家”，李晉閩和他的團(tuán)隊(duì)，做到了真正意義上的學(xué)以致用——在科技工作者眼中，這或許比獎(jiǎng)勵(lì)來(lái)得更加珍貴且無(wú)價(jià)。

把14億中國(guó)人排除在外嗎？

1879年，愛(ài)迪生發(fā)明了白熾燈，人類(lèi)進(jìn)入了電氣照明時(shí)代。

如果說(shuō)這是人類(lèi)史上的第一次照明革命的話(huà)，那么半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)LED）的出現(xiàn)，可以說(shuō)是照明史上的第二次革命。

半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有高光效、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，以L(fǎng)ED為核心器件的半導(dǎo)體照明作為一種新興技術(shù)，經(jīng)過(guò)近十多年的發(fā)展，節(jié)能效果顯著，電光轉(zhuǎn)換效率是熒光燈的5倍，白熾燈的20倍。

然而，“17年前的一個(gè)光源要賣(mài)100多元，而一個(gè)射燈一般有3個(gè)光源，就需要300多元，普通家庭是用不起的?！?/p>

那時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家圍繞LED的研制早已展開(kāi)激烈的技術(shù)競(jìng)賽，發(fā)布了諸如美國(guó)的“下一代照明計(jì)劃”、歐盟的“彩虹計(jì)劃”、日本的“21世紀(jì)光計(jì)劃”等半導(dǎo)體照明發(fā)展計(jì)劃。

我國(guó)處在什么水平？答案是：沒(méi)有水平。

當(dāng)時(shí)，中國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展幾乎是一片空白。功率芯片全部依賴(lài)進(jìn)口，研發(fā)缺乏目標(biāo)方向，企業(yè)分散、缺乏技術(shù)研發(fā)能力，產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)售收入不足億元……

“當(dāng)時(shí)從國(guó)家到科學(xué)家個(gè)人，都受到國(guó)外的排擠，不愿意同我們合作?！崩顣x閩說(shuō)。

就這樣讓14億中國(guó)人被排除在第二次照明革命之外嗎？

當(dāng)然不能。這恰恰激發(fā)起了科技工作者奮發(fā)圖強(qiáng)的斗志。

為搶占新興產(chǎn)業(yè)的先機(jī)，提高新一代半導(dǎo)體材料與技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，從“十五”開(kāi)始，科技部率先支持了半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2003年，科技部、原信息產(chǎn)業(yè)部、中科院、教育部、原建設(shè)部、輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)等單位聯(lián)合成立了國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，并緊急啟動(dòng)了“半導(dǎo)體照明工程”攻關(guān)項(xiàng)目，以近期解決特殊照明市場(chǎng)急需的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，中遠(yuǎn)期培育白光普通照明產(chǎn)業(yè)為目標(biāo)，以應(yīng)用促發(fā)展，推動(dòng)形成有核心競(jìng)爭(zhēng)力的中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)。

2006年8月，科技部在“十五”國(guó)家半導(dǎo)體照明工程實(shí)施的基礎(chǔ)上，根據(jù)國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的部署和“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃，在“十一五”國(guó)家863計(jì)劃新材料領(lǐng)域中設(shè)立“半導(dǎo)體照明工程”重大項(xiàng)目，目標(biāo)是通過(guò)自主創(chuàng)新，突破白光照明部分核心專(zhuān)利，解決半導(dǎo)體照明市場(chǎng)急需的產(chǎn)業(yè)化共性關(guān)鍵技術(shù)，完善半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈。

在中科院半導(dǎo)體照明研發(fā)中心平臺(tái)基礎(chǔ)上，2012年1月，半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式建立。

這是我國(guó)第一個(gè)依托聯(lián)盟建立的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)體制機(jī)制完全創(chuàng)新的公共研發(fā)平臺(tái)，始終堅(jiān)持以產(chǎn)業(yè)價(jià)值為核心價(jià)值的理念，以產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新需求為基礎(chǔ)，以完善技術(shù)創(chuàng)新鏈為目標(biāo)。

這個(gè)平臺(tái)充分利用和整合現(xiàn)有資源，探索形成多種形式的政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新模式：

在這個(gè)平臺(tái)上，企業(yè)以項(xiàng)目資金投入，科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和其他社會(huì)組織以研發(fā)人員和設(shè)備的使用權(quán)投入，推動(dòng)建立基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化、先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研制緊密結(jié)合、協(xié)調(diào)發(fā)展機(jī)制探索持續(xù)性投入機(jī)制，逐步形成可持續(xù)發(fā)展的開(kāi)放的、國(guó)際化的非營(yíng)利研究實(shí)體，成為半導(dǎo)體照明的技術(shù)創(chuàng)新中心、人才培養(yǎng)中心、標(biāo)準(zhǔn)研制中心和產(chǎn)業(yè)化輻射中心。

有了這個(gè)平臺(tái)，半導(dǎo)體照明的前路是否一片坦途了呢？

凝煉方向，銳意攻關(guān)有所成讓時(shí)間倒回到2003年。

那時(shí)，中國(guó)的半導(dǎo)體照明工程剛剛起步，國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品面臨著電光轉(zhuǎn)化效率低，長(zhǎng)期工作可靠性差，關(guān)鍵技術(shù)被美日壟斷。

“當(dāng)時(shí)LED的光效與普通白熾燈的光效接近，大約為15lm/W。我們經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)研認(rèn)為，若要以L(fǎng)ED燈作為照明燈，不僅要達(dá)到而且要超越節(jié)能燈的光效。”李晉閩說(shuō)，“若要發(fā)展LED，就必須和現(xiàn)有最高光效的人造光源去對(duì)標(biāo)。當(dāng)時(shí)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(biāo)?！?/p>

據(jù)說(shuō)，愛(ài)迪生經(jīng)歷了13個(gè)月的艱苦奮斗，試驗(yàn)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(tuán)隊(duì)也在經(jīng)歷反反復(fù)復(fù)的失敗錘煉。

尋找光明，是他們的信仰。最終，團(tuán)隊(duì)取得了耀眼的成果——“十一五”結(jié)束時(shí)，團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)業(yè)化大功率LED芯片光效已經(jīng)超過(guò)100lm/W，達(dá)到與國(guó)際產(chǎn)業(yè)主流產(chǎn)品水平同步。

由于從上到下的重視，“十一五”期間，我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，半導(dǎo)體照明技術(shù)取得了重大進(jìn)展。

2010年，我國(guó)LED相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)共30682項(xiàng)，約占全球LED專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量的27%，而且下游應(yīng)用專(zhuān)利申請(qǐng)優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)用方面專(zhuān)利約占總數(shù)的76%，其中道路等功能性照明應(yīng)用領(lǐng)域已處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

但是，面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，挑戰(zhàn)依然嚴(yán)峻。

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立后，他們了解企業(yè)需求，凝煉出了4個(gè)研究方向，即：統(tǒng)一半導(dǎo)體照明產(chǎn)品規(guī)格接口，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同廠(chǎng)家產(chǎn)品具備互換性;研究半導(dǎo)體照明產(chǎn)品可靠性測(cè)試方法，科學(xué)評(píng)價(jià)半導(dǎo)體照明產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo);對(duì)半導(dǎo)體照明產(chǎn)品封裝工藝進(jìn)行研究，解決照明舒適安全問(wèn)題;開(kāi)展前瞻性研究，對(duì)代表未來(lái)發(fā)展方向的三維封裝、立體封裝進(jìn)行研究，以降低產(chǎn)品成本。

實(shí)驗(yàn)室擁有從MOCVD外延、芯片開(kāi)發(fā)、高效大功率封裝到測(cè)試分析較完整的工藝線(xiàn)。利用這一優(yōu)勢(shì)，打造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)研發(fā)平臺(tái)成為了他們的努力方向。

李晉閩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)著力解決光提取效率低、襯底導(dǎo)熱性差、異質(zhì)外延失配度大、p型摻雜離化率低的關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了外延芯片的核心技術(shù)突破。

他們發(fā)明了國(guó)際首創(chuàng)寬光譜、全向復(fù)合光學(xué)膜結(jié)構(gòu)及制備技術(shù);研制成功國(guó)際首創(chuàng)的金屬?gòu)?fù)合襯底，實(shí)現(xiàn)極低熱阻LED芯片結(jié)構(gòu);提出微納圖形襯底二次成核外延技術(shù)、極化誘導(dǎo)3D空穴氣p型摻雜技術(shù)，外延材料晶體質(zhì)量達(dá)到國(guó)際同期最好水平。該成果開(kāi)創(chuàng)并推動(dòng)了我國(guó)半導(dǎo)體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有的快速發(fā)展，獲2014年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

到2015年，我國(guó)在LED照明上，實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化示范全創(chuàng)新鏈的重點(diǎn)技術(shù)突破。

此后，李晉閩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研合作攻關(guān)，從半導(dǎo)體照明芯片、封裝、模組與應(yīng)用全鏈條開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，形成了自主可控的高光效長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體照明成套技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。目前，已實(shí)現(xiàn)了252lm/W的高光效LED芯片與全球最大規(guī)模量產(chǎn)，達(dá)到同類(lèi)技術(shù)下的國(guó)際領(lǐng)先水平。

李晉閩說(shuō)：“目前，基于我們團(tuán)隊(duì)成果的LED封裝器件經(jīng)過(guò)85攝氏度、6000小時(shí)的可靠性測(cè)試后，光衰小于2%，光電性能可靠性得到大幅提高?！倍鴥r(jià)格只有原來(lái)的1/400，實(shí)現(xiàn)了真正的高科技，“白菜價(jià)”。

在北京奧運(yùn)會(huì)、十城萬(wàn)盞示范工程、人民大會(huì)堂照明系統(tǒng)節(jié)能改造工程、APEC峰會(huì)、俄羅斯世界杯、索契冬奧會(huì)、國(guó)家?jiàn)W林匹克體育場(chǎng)、上海世博會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)、京滬高鐵等重大工程中，他們的成果相繼實(shí)現(xiàn)規(guī)?；痉稇?yīng)用，節(jié)能效果顯著。

不僅如此，研發(fā)成果還強(qiáng)有力地推動(dòng)了全鏈條產(chǎn)業(yè)化大發(fā)展，高效推動(dòng)我國(guó)半導(dǎo)體照明戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)，打造了外延芯片與國(guó)際并跑、應(yīng)用產(chǎn)品領(lǐng)跑的產(chǎn)業(yè)新格局，使半導(dǎo)體照明成為我國(guó)少數(shù)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高科技領(lǐng)域。形成年產(chǎn)4英寸外延芯片1000萬(wàn)片、封裝器件1200億只、光源模組5000萬(wàn)套的規(guī)模，外延芯片份額超過(guò)美、日、歐總和，列全球首位。

項(xiàng)目技術(shù)成果形成了全球最大的LED照明產(chǎn)品生產(chǎn)基地，項(xiàng)目合作單位近十年經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)逾20倍，近三年新增經(jīng)濟(jì)效益451億元，利潤(rùn)84.6億元，推動(dòng)下游應(yīng)用市場(chǎng)產(chǎn)值3700億元。

項(xiàng)目成果累計(jì)節(jié)電3300億度，減少碳排放3億噸。

他們的成果，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)照明產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和照明產(chǎn)品的更新?lián)Q代，使得半導(dǎo)體照明產(chǎn)品走入千家萬(wàn)戶(hù)。并且引領(lǐng)了全球半導(dǎo)體照明技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)品出口至歐美、日本等國(guó)家和地區(qū)，打破了國(guó)際壟斷。

始于照明，超越照明

李晉閩說(shuō)：“實(shí)際上LED光效早已超過(guò)了當(dāng)初設(shè)定的8倍目標(biāo)，跨越了16倍的距離，這是團(tuán)隊(duì)每一個(gè)成員奮斗所得的榮光?！?/p>

這種榮光將怎樣傳承？

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)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(jī)，下至汽車(chē)光測(cè)距，遠(yuǎn)至南極科考，近至醫(yī)療美容、植物照明……業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為，半導(dǎo)體照明技術(shù)應(yīng)用涉及信息、交通、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，其數(shù)字化的特性是即將到來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的技術(shù)支撐之一：

基于紫外LED的超越照明技術(shù)，可用于光固化、殺菌、消毒、醫(yī)學(xué)光照療法等;

基于LED的醫(yī)學(xué)光療技術(shù)，在神經(jīng)、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(yīng)用不斷增多;

基于LED的植物生長(zhǎng)技術(shù)和病蟲(chóng)害控制技術(shù);

基于LED光生物反應(yīng)的家禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù);

基于白光LED的可見(jiàn)光通信技術(shù)，如在智能家居和智慧城市等的應(yīng)用。

以深紫外光源為例，“采用深紫外LED替代傳統(tǒng)汞燈在消毒殺菌的應(yīng)用類(lèi)似于白光LED替代傳統(tǒng)光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，將形成一個(gè)巨大的新興產(chǎn)業(yè)。”李晉閩說(shuō)。

在李晉閩看來(lái)，按需照明、智慧照明、超越照明將是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

“我希望，不久的將來(lái)，中國(guó)的紫外、深紫外LED等超越照明產(chǎn)品可以引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)，走向全球，這就是我的夢(mèng)想?！崩顣x閩說(shuō)。