20年，“小太阳”照进千家万户 | 科技自立自强之路

自1879年爱迪生成功制备出第一盏白炽灯世界照明史一直由发达国家书写100多年后中国成为了全球最大的半导体发光二极管（LED）产品制造、消费和出口国让“小米粒”长成“小太阳”照进千家万户在这场照明革命中中国留下浓重的一笔
在全球范围内照明用电能源消耗巨大GDP增长与照明用电量的增长呈线性关系到2050年全球GDP将增长2.7倍照明用电量也将增长2.7倍这是一个天文数字LED的能耗只有普通白炽灯的1/10寿命却是它的几十倍因此无论是推进节能减排、应对气候变化还是推动产业转型升级LED都至关重要
氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料是LED的理想材料而制备氮化镓LED面临效率低、成本高的巨大挑战打破这些技术壁垒是推进半导体照明的基础环节

▲发光芯片。

过去20余年里以中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）为代表的科研机构研发引领LED技术在中国遍地开花
2000年，在美国加州大学洛杉矶分校进行学术访问的李晋闽敏锐捕捉到半导体照明这座节能的“富矿”当时全球的相关研究刚起步中国面临实现超越的重大机遇
2002年，李晋闽回国担任半导体所所长一头扎进半导体照明事业2003年5月半导体所在一次会议上向科技部汇报关于发展氮化物LED的思考经过多方论证当年6月，国家半导体照明工程启动速度之快超出半导体所的预期
国家半导体照明工程的核心是产学研相结合LED产业是一段很长的链条从衬底制备到外延生长再从器件工艺到封装技术最后才到达应用集成终端在这条长长的产业链条上几乎所有关键技术和基础专利都被美日欧垄断尤其是当时中国的高亮LED芯片完全依赖进口破局，只能从源头做起一杆子插到底
LED技术工艺中外延材料制备最为核心难度也最大一个LED芯片包含发光体和封装外壳两部分发光体是圆圆的薄片，相当于“灯芯”这需要用到外延材料“灯芯”的核心材料是氮化镓制备过程极其精细且复杂就像制作微米级别的千层蛋糕而每一层的材料组分含量、生长温度等都要精确把控
科研人员集中力量啃下“硬骨头”历时3年突破氮化镓外延、刻蚀工艺等一系列技术难关成功研制出大功率LED芯片为满足大功率LED芯片需求他们还开发出一系列具有自主知识产权的器件工艺技术研发出适合产业化的垂直结构工艺流程使器件性能不断提升

▲首批研制成功的大功率倒装结构LED芯片。

为了赋能企业转型发展李晋闽始终瞄准产业痛点他发现一个问题：企业的重大核心装备主要依靠进口这严重影响了产品的制造成本和市场竞争力
这一关键的重大核心装备叫金属有机物化学气相外延（MOCVD）不仅工艺技术极为复杂还是LED芯片制造中最昂贵的设备几乎占据一半成本此外，设备维护成本很高且需要国外技术支持
于是，半导体所挺身而出2010年成功研制出7片2英寸外延片的MOCVD设备样机2012年又通过院地合作与地方企业共同研制出国内首台48片生产型MOCVD设备为半导体照明领域重大核心装备国产化开了先河
在谈到成功经验时半导体所研究团队特别提到2004年成立的半导体照明工程研发及产业联盟以及以联盟为依托建设的半导体照明联合创新国家重点实验室正是它们的存在让科研院所、高校与政府、企业深度黏合在一起让更多具有自主知识产权的关键技术得以转移转化、产业化验证和辐射推动产业和经济的进一步发展

▲半导体所牵头的“高光效长寿命半导体照明关键技术与产业化”项目荣获2019年国家科学技术进步奖一等奖。半导体所供图

2009年“十城万盏”半导体照明应用工程试点启动LED直接进入老百姓的生活中高效照明产品财政补贴政策的落实进一步让LED走入千家万户
在各种应用强有力的驱动下我国LED技术取得从上游芯片到中游封装再到下游应用的一系列突破与研发初期相比LED性能提高16倍、价格下降到1/200芯片国产化率由不足5%提升到80%支撑我国成为全球最大的LED芯片生产与出口国
如今随着技术进一步发展LED的作用已不仅仅用于照明基于紫外LED的“超越照明”成为半导体照明领域的新技术与应用新方向这些年从紫外LED关键材料入手半导体所攻克核心技术难题打通完整技术链条、实现技术转化相信在不远的未来“超越照明”一定会同LED产品一样进入寻常百姓家

阅读全文请见

来源：中国科学报

责任编辑：宋同舟