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2000年初，正在美國做高級訪問學者的李晉閩，在一場光博會上看到一種會發(fā)光的“小米?！?。這是一種半導體發(fā)光二極管（LED）的雛形，攏在一起可以照明。

這讓當時身為中國科學院半導體研究所（以下簡稱半導體所）研究員的他既緊張又興奮，并且隱隱感覺到，世界將迎來又一場照明革命。

自愛迪生1879年成功制備出第一盞白熾燈起，世界照明史一直由發(fā)達國家書寫。100多年后，中國成為全球最大的LED產(chǎn)品制造、消費和出口國，讓“小米粒”長成“小太陽”，照進了千家萬戶。

過去20余年里，以半導體所為代表的科研機構(gòu)研發(fā)引領的LED技術在中國遍地開花，成為全球節(jié)能環(huán)保和萬億光照產(chǎn)業(yè)的一股重要推動力量。

1?推動照明工程啟動

2000年，李晉閩在美國加利福尼亞大學洛杉磯分校進行學術訪問時，有機會前往一些頂尖實驗室考察。在那里，他捕捉到一些關鍵信息：半導體照明是節(jié)能的“富礦”，且半導體芯片是長壽命器件，用于照明，其壽命可以達到“一生只用一盞燈”的長度！

隨著了解的深入，他越來越確信，低效照明必將被淘汰，而高效節(jié)能的LED產(chǎn)品將大行其道。

在全球范圍內(nèi)，照明用電都是很大的能源消耗，發(fā)達國家的照明用電比例高達20%，而GDP增長與照明用電量的增長呈線性關系。到2050年，全球GDP將增長2.7倍，這意味著照明用電量也要增長2.7倍，這將是個天文數(shù)字。

然而，LED的能耗只有普通白熾燈的1/10，壽命卻是它的幾十倍。無論是推進節(jié)能減排、應對氣候變化，還是推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，LED都至關重要。

當時，半導體應用于未來照明在國際上已經(jīng)達成共識，但相關研究剛起步，中國在這一技術領域擁有實現(xiàn)超越的重大機遇。

氮化鎵（GaN）作為第三代半導體材料，具有優(yōu)異的電學、光學和熱學特性，是高亮度、高效率LED的理想材料，但當時在全球范圍內(nèi)，制備氮化鎵LED面臨著效率低、成本高的巨大挑戰(zhàn)。打破這些技術壁壘是推進半導體照明的基礎環(huán)節(jié)。

“21世紀是綠色、節(jié)能、環(huán)保的世紀，如果我們現(xiàn)在不抓緊，可能又要落后了?！睍r不我待，李晉閩于2002年回國擔任半導體所所長，一頭扎進半導體照明事業(yè)中。

當時，國內(nèi)LED光效比較低，價格卻十分昂貴。一個LED光源賣100多元，而一個射燈一般有3個光源，就需要300多元，普通家庭根本用不起。

“想要讓半導體照明產(chǎn)品走進千家萬戶，性能要提高8倍，價格則要降到原來的1%。”對半導體所而言，這既是挑戰(zhàn)，也是承諾。

2003年5月，半導體所在一次會議上向科技部匯報了關于發(fā)展氮化物LED的思考。相關部門了解了情況后，十分重視。隨后，科技部迅速組織專家進行分析研討和市場調(diào)研，論證中國發(fā)展LED的可行性。經(jīng)過多方論證，專家們認為可以啟動LED項目。

6月17日，國家半導體照明工程啟動。這是我國首次提出發(fā)展半導體照明計劃，速度之快，超出了半導體所的預期。

2?從源頭做起，一竿子插到底

國家半導體照明工程部署之初的指導思想，就是產(chǎn)學研相結(jié)合。

“半導體科學技術總給人一種陽春白雪的感覺，但作為科技工作者，一定要讓LED徹底融入社會生產(chǎn)生活的方方面面。因此，一切研究都應以應用為出發(fā)點。”談到這項工程的初心，作為主要發(fā)起人之一的李晉閩干脆地說。

然而，LED產(chǎn)業(yè)有很長的鏈條，從襯底制備到外延生長，再從器件工藝到封裝技術，最后才到達應用集成終端。21世紀初，發(fā)達國家圍繞LED的研制已經(jīng)展開了激烈的技術競賽。在這條產(chǎn)業(yè)鏈上，幾乎所有關鍵技術和基礎專利都被美日歐壟斷，尤其是中國的高亮LED芯片完全依賴進口。

破局，只能從源頭做起，一竿子插到底。

半導體所從宏觀層面圍繞產(chǎn)業(yè)鏈條整體布局，組建了當時國內(nèi)唯一的集裝備制造、外延生長、芯片工藝、器件封裝和產(chǎn)品測試于一體的LED全鏈條研發(fā)團隊。這個團隊集結(jié)了不同領域的優(yōu)秀科研人員，是一支近百人、成建制的科研攻堅力量。

時間證明，這樣一個技術布局全、設備接近產(chǎn)業(yè)化的研究團隊，為后來的技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)共通提供了關鍵性保障。

在LED一系列繁冗復雜的技術工藝中，最核心的部分是外延材料制備，也是整個產(chǎn)業(yè)鏈中技術難度最大的。

一個LED芯片包含發(fā)光體和封裝外殼兩部分。發(fā)光體是圓圓的薄片，相當于“燈芯”，這需要用到外延材料，它雖然只有筆頭大小，卻內(nèi)有乾坤。

LED發(fā)光芯片。

半導體所研究員、寬禁帶半導體研發(fā)中心主任王軍喜介紹，“燈芯”的核心材料是氮化鎵，制備這種外延材料是一個極其精細且復雜的過程?！八窃谔赜芯芡庋友b備中逐層外延堆疊而成，就像制作微米級別的千層蛋糕一樣，而且每一層的材料組分含量、生長溫度、氣流氛圍、襯底轉(zhuǎn)速等都要精確把控。”

“‘燈芯’內(nèi)部發(fā)光核心層的厚度總共只有幾十納米，大約是頭發(fā)絲直徑的千分之一，但內(nèi)含復雜精細的微納結(jié)構(gòu)?！蓖踯娤脖硎荆盁粜尽鄙L過程中對氣體純度要求極高，氣流均勻性和分布也需要很好調(diào)控，才能實現(xiàn)高質(zhì)量材料生長，這些都與最終的LED光效息息相關。

生長完的“燈芯”還要經(jīng)過精密工藝加工、封裝，才能最終成為半導體照明光源，類似于白熾燈的燈絲。

半導體照明工程啟動初期，“燈芯”的光效只有每瓦15流明，用于照明幾乎是天方夜譚。

在工藝設備不足、實驗條件相對簡陋的環(huán)境下，最繁忙時，團隊所有成員每天三班倒，輪流守在儀器旁，集中力量啃“硬骨頭”。

他們僅用3年時間，就攻克了氮化鎵外延、刻蝕工藝、半透明電極、倒裝焊等一系列技術難關，成功研制出大功率LED芯片。此后，光效又相繼達到每瓦100流明、每瓦150流明等要求。

首批研制成功的大功率倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片。

為滿足大功率LED芯片需求，團隊研發(fā)出一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的器件工藝技術，開發(fā)出適合產(chǎn)業(yè)化的垂直結(jié)構(gòu)工藝流程，使器件性能不斷提升。

值得一提的是，為了讓研發(fā)的關鍵工藝與企業(yè)生產(chǎn)線在技術轉(zhuǎn)化上無縫銜接，提高產(chǎn)研轉(zhuǎn)化效率，半導體所建成了同時具備研發(fā)能力與工程化示范能力的LED柔性工藝線，擁有1500平方米超凈實驗室及完備的實驗裝備，具有LED芯片多種技術路線研發(fā)能力，為產(chǎn)業(yè)研發(fā)提供了成熟的工藝技術支撐。

3?從科技強到產(chǎn)業(yè)強

2003年，曾有業(yè)內(nèi)人士向半導體所研究團隊提出一個尖銳的問題——推動LED照明不是會讓很多傳統(tǒng)照明廠家的從業(yè)者失業(yè)嗎？

國家半導體照明工程的部署，對我國照明產(chǎn)業(yè)來說，是一個大浪淘沙的過程。無論企業(yè)能否扛過產(chǎn)業(yè)升級的陣痛，LED的發(fā)展趨勢都不可阻擋。而一心希望科技賦能企業(yè)的李晉閩，總是緊緊盯著那些產(chǎn)業(yè)痛點。

只要和李晉閩出過差的人都知道，他是個“閑不住”的人。王軍喜回憶，每遇到出差閑隙，李晉閩就會開啟“雷達”模式，尋找周圍有沒有可調(diào)研的企業(yè)或研究機構(gòu)，他想去了解目前產(chǎn)業(yè)技術的應用進展，或者驗證自己的一些新思路、新想法。

隨著產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展，國內(nèi)半導體照明企業(yè)的手工生產(chǎn)線向自動化調(diào)整。李晉閩很快發(fā)現(xiàn)一個問題：“目前我國相關產(chǎn)業(yè)部分裝備水平很低，特別是關乎產(chǎn)業(yè)安全的重大核心裝備主要依靠進口，導致企業(yè)投資成本高，增加了產(chǎn)品的制造成本，嚴重影響了產(chǎn)品的市場競爭力。國內(nèi)半導體照明企業(yè)非常期盼這些裝備的國產(chǎn)化，這是中國半導體照明產(chǎn)業(yè)真正獲得主動權(quán)的必經(jīng)之路?！?/p>

其中關鍵的重大核心裝備叫作金屬有機物化學氣相外延（MOCVD）。由于工藝技術極為復雜，成為LED芯片制造環(huán)節(jié)中最昂貴的設備，幾乎占了一半成本。

如此昂貴的MOCVD，當時從國外引進、消化、吸收到真正能為企業(yè)作貢獻，大約需要3年時間。而國際上MOCVD產(chǎn)品推陳出新的周期也是3年。

這個設備還有一個特點——維護成本很高且需要國外技術支持。

“只用幾年，中國企業(yè)就得買新設備，逐步淘汰舊設備，這是一個巨大的負擔，作為制造業(yè)大國，我們的產(chǎn)業(yè)壓力很大?！崩顣x閩感慨，“這就好比開金礦的，金子還沒有挖到，先讓賣鐵鍬的賺錢了，很悲哀?！?/p>

半導體所希望通過產(chǎn)學研結(jié)合來改變這種狀況。2010年，團隊研制出7片2英寸外延片的MOCVD設備樣機，隨后又開始研發(fā)更大型的MOCVD裝備，直接瞄準LED規(guī)?；庋由a(chǎn)中的大容量需求。

為促進成果轉(zhuǎn)化，推動地方經(jīng)濟發(fā)展，中國科學院與廣東省政府積極推進院地合作，支持MOCVD裝備研究成果在廣東實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2012年，半導體所和一家地方企業(yè)共同研制的國內(nèi)首臺48片生產(chǎn)型MOCVD設備，在完成總體組裝調(diào)試和工藝驗證后成功下線，為半導體照明領域的重大核心裝備國產(chǎn)化開了先河，成功邁出了第一步。

產(chǎn)學研合作發(fā)展的道路并非一帆風順。王軍喜回憶，當時團隊希望把半導體所研發(fā)的新型襯底外延技術用于企業(yè)的大型產(chǎn)業(yè)化設備，進行技術效果驗證，可企業(yè)并不歡迎。他們認為，與研究所的合作會影響現(xiàn)有大型設備的工作效率，進而降低生產(chǎn)收益。類似的合作難題一度使團隊愁云密布。最終，通過科技項目支持以及雙方人員的深入交流，企業(yè)驚喜地發(fā)現(xiàn)，新技術的導入能夠使產(chǎn)品的光效提升20%以上，利潤得到了大幅提高，從此，后續(xù)的合作局面一下就打開了。

基礎研究、工程化、產(chǎn)業(yè)化是一個完整鏈條。而半導體所的研發(fā)理念正是開放、合作，圍繞半導體照明主流關鍵技術與產(chǎn)業(yè)界進行聯(lián)合創(chuàng)新。

2019年，由半導體所牽頭、10家單位參與完成的“高光效長壽命半導體照明關鍵技術與產(chǎn)業(yè)化”項目，獲得了國家科技進步獎一等獎。

半導體所牽頭的“高光效長壽命半導體照明關鍵技術與產(chǎn)業(yè)化”項目榮獲2019年國家科學技術進步獎一等獎。

在談到成功的經(jīng)驗時，半導體所研究團隊特別提到了2004年成立的半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以及后期以聯(lián)盟為依托建設的半導體照明聯(lián)合創(chuàng)新國家重點實驗室。正是它們的存在，讓科研院所、高校與政府、企業(yè)深度黏合在一起，讓更多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關鍵技術得以轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)化驗證和輻射，推動產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟的進一步發(fā)展。

4?“超越照明”，從頭來過

2008年8月8日晚8時，世界的目光聚焦于“鳥巢”，第29屆北京奧運會開幕式盛典正式開啟。

華表的影像流淌在徐徐展開的巨大卷軸上，“飛鳥”和“鯨魚”自由翱翔在“鳥巢”上空，人類在冉冉升起的蔚藍色星球上漫步，閃爍的星空變幻成通體晶瑩的“鳥巢”。

這非凡的藝術場景背后，LED成為最重要的技術支撐。這不僅是一場體育盛會，更是一場半導體照明工程應用的推廣會。作為奧運會的技術支持單位，半導體所的科研人員正在開幕式現(xiàn)場的角落里，緊張又興奮地目睹著這一切。

LED為北京奧運會開幕式藝術場景提供支撐。

“應該給張藝謀導演頒發(fā)一個LED最佳實踐獎！”李晉閩開玩笑說。在北京奧運會期間，LED技術節(jié)約了大量能源，為可持續(xù)發(fā)展樹立了典范，半導體所還被授予“奧運最佳組織單位”榮譽稱號。

也是在2008年，哈爾濱冰雪大世界里流光溢彩。正是LED技術在低溫環(huán)境中的應用，徹底解決了傳統(tǒng)光源汞污染問題。

2009年，“十城萬盞”半導體照明應用工程試點啟動，LED直接進入老百姓的生活中。高效照明產(chǎn)品財政補貼政策的落實，進一步讓LED走入千家萬戶。

在各種應用強有力的驅(qū)動下，我國LED技術取得從上游芯片到中游封裝，再到下游應用的一系列突破。

LED發(fā)光效率進一步提高到每瓦280流明。LED外延芯片技術成功應用，實現(xiàn)了全球最大規(guī)模的LED芯片量產(chǎn)，帶動了數(shù)千億元下游應用市場。

與研發(fā)初期相比，LED性能提高16倍、價格下降到1/200，芯片國產(chǎn)化率由不足5%提升到80%，支撐我國成為全球最大的LED芯片生產(chǎn)與出口國。

如今，距離國家啟動半導體照明工程已過去20余年。隨著技術進一步發(fā)展，LED的作用已不僅僅用于照明?；谧贤釲ED的“超越照明”成為半導體照明領域的新技術與應用新方向，且發(fā)展迅猛。

紫外LED替代傳統(tǒng)汞燈在消毒殺菌方面的應用，類似于白光LED替代傳統(tǒng)光源在照明領域的應用，正在促成一個巨大的新興產(chǎn)業(yè)。這些年，半導體所再一次從紫外LED關鍵材料入手，攻克核心技術難題，打通完整技術鏈條，實現(xiàn)技術轉(zhuǎn)化。目前，相關產(chǎn)品已經(jīng)在固化、殺菌、醫(yī)療和公共安全領域得到了應用。

一樣的困境，一樣的出路。我們有理由相信，在不久的將來，“超越照明”一定會同LED產(chǎn)品一樣，進入尋常百姓家。

（原載于《中國科學報》?2024-06-26?第4版?專題）