半導體

新晉院士話產業丨江風益:高光效黃光LED為半導體照明帶來新活

作者:諸玲珍來源:中國電子報、電子信息產業網發布時間:2019-12-03 11:05我要評論

今年5月,記者在南昌參觀了江風益教授領銜的國家硅基LED工程技術研究中心。當江教授帶著我們走到習近平總書記親自為他頒獎的照片前時,顯得非常激動。2016年1月8日,他牽頭完成的硅基氮化鎵藍光LED項目獲得2015年度國家技術發明一等獎,習總書記在人民大會堂為他頒獎;不到1個月之后的2月3日,習總書記視察他建立的LED實驗室。2019年11月22日,他從中國科學院白春禮院長手中接過中國科學院院士證書;三天后的11月25日,他獲得國際半導體照明聯盟授予的“全球半導體照明突出貢獻獎”。

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所有這一切都是對他30年辛勤付出的回報。在談到未來時,江風益院士更是滿懷信心:“可見光LED光效還有進一步提升的空間,我國LED和LED照明從業者應該有更遠大的理想。”

與“發光”結緣立志發展新技術路線

1987年,江風益到中國科學院長春物理研究所(現光機物理所)攻讀碩士學位,從那時起,他就和“發光”結下了一生情緣。畢業后,他回到家鄉江西,在紅土地上踏上了他的LED研究征程。

LED——發光二極管,是一種節能環保的冷光源,具有發光效率高、壽命長、體積小、可靠性高、響應速度快和應用范圍廣的特點。長期以來,國際上的LED照明芯片技術路線,由日本為主發展起來的藍寶石襯底LED和美國為主發展起來的碳化硅襯底LED所主導。

江風益想發展一條新的技術路線,避開與這兩條技術路線正面競爭。在硅上制備高光效GaN基LED曾經是學術界夢寐以求的目標。由于硅和GaN巨大的晶格失配和熱失配導致的外延膜龜裂、晶體質量差,襯底不透明導致的發光效率低等問題,讓當時業界普遍認為,在硅上制備高光效GaN基LED是不可能的。江風益對他的團隊說:“我們要把不可能變成可能,創造LED照明芯片第三條技術路線。”2003年年底,追蹤藍寶石襯底LED技術已有7年的江風益團隊,把目光對準了硅基氮化鎵LED技術。

推動硅基氮化鎵藍光LED產業化

自2003年起,江教授就開始專注于硅基氮化鎵LED研究。從此,他和團隊把實驗樓當成了家。熟悉他的人都知道,他在樓里搞了個小食堂,辦公室里擺了張床,經常一個星期不出房。從設計到實驗,從實驗到中試,從中試到小規模量產……數千次實驗,貫穿了無數個晝夜。

功夫不負有心人。2004年他在國際上率先研制成功高光效硅襯底藍光LED,2006年與王敏博士一道創辦了晶能光電公司推動硅襯底藍光LED產業化。2007年推出了國際上首只商用硅襯底藍光LED,2009年推出了國際上首只硅襯底大功率藍光LED。

硅襯底薄膜型LED芯片因其出光方向性優勢,在手機閃光燈、強光手電、路燈、礦燈等領域獲得了比較廣泛的應用。2015年,高光效硅襯底藍光LED成果獲得2015年度中國國家技術發明獎中唯一的一等獎。

高光效黃光LED將有更大作為

長期以來,LED在黃綠光波段,特別是黃光波段,發光效率一直非常低,這一現象也被稱作為“Green gap”,國際上幾十年來未有明顯突破。在高光效硅襯底藍光LED獲得成功后,江教授將新的目標瞄準高光效黃光LED這一世界性難題。“長期富藍光照射對人體生理是有一定危害的。因此,隨著近年來技術的改善,黃光LED發光效率逐漸提升,采用純LED發光的時代正在到來,在部分市場正逐漸替代現有的主流技術。”在提到高光效黃光LED的開發時江風益表示。他帶領團隊設計制造了專用MOCVD裝備,利用硅襯底帶來的張應力,引入新準備層,提出了新理念,解決了銦鎵氮黃光量子阱材料生長溫度低、壓應力過大、易相分離等難題,于2016年成功地將黃光LED的光功率效率(簡稱光效)從之前國際上最高不到10%提升到21%~30%(130~180lm/W,20~2A/平方厘米),成果被國際半導體照明聯盟評為2016—2017年全球半導體照明年度大事。

“可見光LED光效還有進一步提升的空間,我國在LED和LED照明領域應該有更大的作為。”江院士在接受《中國電子報》記者采訪時表示。近3年來,他們的團隊在光效的提高上開展了大量工作,并取得有目共睹的成績。目前硅基氮化鎵綠光(520nm)、黃光(565nm)、橙光(585nm)LED在20A/平方厘米電流密度下光效分別達到46.1%(202lm/W)、26.7%(164lm/W)、15%(75lm/W);在2A/平方厘米電流密度下,綠光(528nm)、黃光(575nm)、橙光(590nm)LED光效分別高達61.9%(312lm/W)、41.4%(239lm/W)、18.8%(81lm/W)。他們組合高光效黃光、紅光LED,成功開發了超低色溫、無熒光粉、無藍光的金黃光LED照明光源。該光源用于路燈、街燈等市政照明,色調與傳統的高壓鈉燈接近,兼容夜間照明低色溫氛圍,減少了高色溫LED燈帶來的光污染;其高穿透性有助于提升道路行車安全系數,特別是在雨、霧、霾的環境中大大提高了道路的照明質量,已在國內十多個城市應用。“黃金光源用于家居照明,避免了富藍光LED短波長光危害的風險,未來市場前景廣闊。”

此外,可見光通信、智慧情景照明等領域也是LED大顯身手的舞臺。為此,江風益團隊利用高效硅基氮化鎵藍、青、綠、黃光LED以及轉移至硅基板上的鋁鎵銦磷紅光LED,實現了無熒光粉多基色白光LED照明光源,具有響應速度快、多信道、光譜可調等優點。

2019年7月,諾貝爾物理學獎得主、美國UCSB教授中村修二在半導體照明大會上公開稱贊:“南昌大學發明了發光效率世界最高的黃光LED,技術水平國際領先,這是中國人的一項非常大的發明,它有非常大的價值。”2019年11月25日,經中村修二教授推薦,江風益獲得國際半導體照明聯盟授予的“全球半導體照明突出貢獻獎”。


責任編輯:趙強
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