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(fā)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(jīng)隨歷史走遠，“萬家燈火”已經(jīng)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(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年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在北京人民大會堂隆重舉行。中國科學(xué)院半導(dǎo)體照明研發(fā)中心主任李晉閩帶領(lǐng)團隊牽頭聯(lián)合完成的“高光效長壽命半導(dǎo)體照明關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)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(lián)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(shù)。用到的技術(shù)，就是上文獲獎項目的創(chuàng)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(chuàng)新的豪情。

這個項目，使半導(dǎo)體照明芯片由17年前完全依賴進口，發(fā)展到現(xiàn)在自主可控，并全面實現(xiàn)國產(chǎn)化。難怪他們拿到了科技領(lǐng)域最具權(quán)威性和影響力的國家科技進步一等獎。

不僅如此，目前我國半導(dǎo)體照明核心器件的國產(chǎn)化，使得近50%的傳統(tǒng)光源被LED產(chǎn)品所取代，每年累計實現(xiàn)節(jié)電約2800億度，這相當于3個三峽水利工程的發(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”，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(xué)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(fā)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(dǎo)體發(fā)光二極管（簡稱LED）的出現(xiàn)，可以說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、長壽命的特點，以LED為核心器件的半導(dǎo)體照明作為一種新興技術(shù)，經(jīng)過近十多年的發(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?！?/p>

那時，發(fā)達國家圍繞LED的研制早已展開激烈的技術(shù)競賽，發(fā)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(dǎo)體照明發(fā)展計劃。

我國處在什么水平？答案是：沒有水平。

當時，中國半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展幾乎是一片空白。功率芯片全部依賴進口，研發(fā)缺乏目標方向，企業(yè)分散、缺乏技術(shù)研發(fā)能力，產(chǎn)業(yè)銷售收入不足億元……

“當時從國家到科學(xué)家個人，都受到國外的排擠，不愿意同我們合作?！崩顣x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(fā)起了科技工作者奮發(fā)圖強的斗志。

為搶占新興產(chǎn)業(yè)的先機，提高新一代半導(dǎo)體材料與技術(shù)的國際競爭力，從“十五”開始，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)合會等單位聯(lián)合成立了國家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，并緊急啟動了“半導(dǎo)體照明工程”攻關(guān)項目，以近期解決特殊照明市場急需的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，中遠期培育白光普通照明產(chǎn)業(yè)為目標，以應(yīng)用促發(fā)展，推動形成有核心競爭力的中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)。

2006年8月，科技部在“十五”國家半導(dǎo)體照明工程實施的基礎(chǔ)上，根據(jù)國家中長期科學(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”國家863計劃新材料領(lǐng)域中設(shè)立“半導(dǎo)體照明工程”重大項目，目標是通過自主創(chuàng)新，突破白光照明部分核心專利，解決半導(dǎo)體照明市場急需的產(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)中心平臺基礎(chǔ)上，2012年1月，半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國家重點實驗室正式建立。

這是我國第一個依托聯(lián)盟建立的國家重點實驗室，是一個體制機制完全創(chuàng)新的公共研發(fā)平臺，始終堅持以產(chǎn)業(yè)價值為核心價值的理念，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。

這個平臺充分利用和整合現(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：

在這個平臺上，企業(yè)以項目資金投入，科研機構(gòu)、大學(xué)和其他社會組織以研發(fā)人員和設(shè)備的使用權(quán)投入，推動建立基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化、先進技術(shù)標準研制緊密結(jié)合、協(xié)調(diào)發(fā)展機制探索持續(xù)性投入機制，逐步形成可持續(xù)發(fā)展的開放的、國際化的非營利研究實體，成為半導(dǎo)體照明的技術(shù)創(chuàng)新中心、人才培養(yǎng)中心、標準研制中心和產(chǎn)業(yè)化輻射中心。

有了這個平臺，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)有所成讓時間倒回到2003年。

那時，中國的半導(dǎo)體照明工程剛剛起步，國內(nèi)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品面臨著電光轉(zhuǎn)化效率低，長期工作可靠性差，關(guān)鍵技術(shù)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(jīng)過仔細調(diào)研認為，若要以LED燈作為照明燈，不僅要達到而且要超越節(jié)能燈的光效?！崩顣x閩說，“若要發(fā)展LED，就必須和現(xiàn)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?！?/p>

據(jù)說，愛迪生經(jīng)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(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，團隊取得了耀眼的成果——“十一五”結(jié)束時，團隊的產(chǎn)業(yè)化大功率LED芯片光效已經(jīng)超過100lm/W，達到與國際產(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)取得了重大進展。

2010年，我國LED相關(guān)專利申請共30682項，約占全球LED專利申請數(shù)量的27%，而且下游應(yīng)用專利申請優(yōu)勢明顯，應(yīng)用方面專利約占總數(shù)的76%，其中道路等功能性照明應(yīng)用領(lǐng)域已處于國際領(lǐng)先地位。

但是，面對激烈的國際競爭，挑戰(zhàn)依然嚴峻。

重點實驗室建立后，他們了解企業(yè)需求，凝煉出了4個研究方向，即：統(tǒng)一半導(dǎo)體照明產(chǎn)品規(guī)格接口，制定相關(guān)標準，實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品具備互換性;研究半導(dǎo)體照明產(chǎn)品可靠性測試方法，科學(xué)評價半導(dǎo)體照明產(chǎn)品各項性能指標;對半導(dǎo)體照明產(chǎn)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(fā)展方向的三維封裝、立體封裝進行研究，以降低產(chǎn)品成本。

實驗室擁有從MOCVD外延、芯片開發(fā)、高效大功率封裝到測試分析較完整的工藝線。利用這一優(yōu)勢，打造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)研發(fā)平臺成為了他們的努力方向。

李晉閩帶領(lǐng)團隊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);研制成功國際首創(chuàng)的金屬復(fù)合襯底，實現(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)量達到國際同期最好水平。該成果開創(chuàng)并推動了我國半導(dǎo)體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)從無到有的快速發(fā)展，獲2014年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

到2015年，我國在LED照明上，實現(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)新鏈的重點技術(shù)突破。

此后，李晉閩帶領(lǐng)團隊開展產(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)用全鏈條開展技術(shù)攻關(guān)，形成了自主可控的高光效長壽命半導(dǎo)體照明成套技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)指標處于國際領(lǐng)先水平。目前，已實現(xiàn)了252lm/W的高光效LED芯片與全球最大規(guī)模量產(chǎn)，達到同類技術(shù)下的國際領(lǐng)先水平。

李晉閩說：“目前，基于我們團隊成果的LED封裝器件經(jīng)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?！倍鴥r格只有原來的1/400，實現(xiàn)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(tǒng)節(jié)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(xiàn)規(guī)?；痉稇?yīng)用，節(jié)能效果顯著。

不僅如此，研發(fā)成果還強有力地推動了全鏈條產(chǎn)業(yè)化大發(fā)展，高效推動我國半導(dǎo)體照明戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)從無到有、從弱到強，打造了外延芯片與國際并跑、應(yīng)用產(chǎn)品領(lǐng)跑的產(chǎn)業(yè)新格局，使半導(dǎo)體照明成為我國少數(shù)具有國際競爭力的高科技領(lǐng)域。形成年產(chǎn)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(guī)模，外延芯片份額超過美、日、歐總和，列全球首位。

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

項目成果累計節(jié)電3300億度，減少碳排放3億噸。

他們的成果，實現(xiàn)了中國照明產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和照明產(chǎn)品的更新?lián)Q代，使得半導(dǎo)體照明產(chǎn)品走入千家萬戶。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、日本等國家和地區(qū)，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(shè)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(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，下至汽車光測距，遠至南極科考，近至醫(yī)療美容、植物照明……業(yè)內(nèi)專家認為，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的物聯(lián)網(wǎng)時代的技術(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的植物生長技術(shù)和病蟲害控制技術(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，將形成一個巨大的新興產(chǎn)業(yè)。”李晉閩說。

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

“我希望，不久的將來，中國的紫外、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，這就是我的夢想?！崩顣x閩說。