半导体

新晋院士话产业丨江风益:高光效黄光LED为半导体照明带来新活

作者:诸玲珍来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2019-12-03 11:05我要评论

今年5月,记者在南昌参观了江风益教授领衔的国家硅基LED工程技术研究中心。当江教授带着我们走到习近平总书记亲自为他颁奖的照片前时,显得非常激动。2016年1月8日,他牵头完成的硅基氮化镓蓝光LED项目获得2015年度国家技术发明一等奖,习总书记在人民大会堂为他颁奖;不到1个月之后的2月3日,习总书记视察他建立的LED实验室。2019年11月22日,他从中国科学院白春礼院长手中接过中国科学院院士证书;三天后的11月25日,他获得国际半导体照明联盟授予的“全球半导体照明突出贡献奖”。

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所有这一切都是对他30年辛勤付出的回报。在谈到未来时,江风益院士更是满怀信心:“可见光LED光效还有进一步提升的空间,我国LED和LED照明从业者应该有更远大的理想。”

与“发光”结缘立志发展新技术路线

1987年,江风益到中国科学院长春物理研究所(现光机物理所)攻读硕士学位,从那时起,他就和“发光”结下了一生情缘。毕业后,他回到家乡江西,在红土地上踏上了他的LED研究征程。

LED——发光二极管,是一种节能环保的冷光源,具有发光效率高、寿命长、体积小、可靠性高、响应速度快和应用范围广的特点。长期以来,国际上的LED照明芯片技术路线,由日本为主发展起来的蓝宝石衬底LED和美国为主发展起来的碳化硅衬底LED所主导。

江风益想发展一条新的技术路线,避开与这两条技术路线正面竞争。在硅上制备高光效GaN基LED曾经是学术界梦寐以求的目标。由于硅和GaN巨大的晶格失配和热失配导致的外延膜龟裂、晶体质量差,衬底不透明导致的发光效率低等问题,让当时业界普遍认为,在硅上制备高光效GaN基LED是不可能的。江风益对他的团队说:“我们要把不可能变成可能,创造LED照明芯片第三条技术路线。”2003年年底,追踪蓝宝石衬底LED技术已有7年的江风益团队,把目光对准了硅基氮化镓LED技术。

推动硅基氮化镓蓝光LED产业化

自2003年起,江教授就开始专注于硅基氮化镓LED研究。从此,他和团队把实验楼当成了家。熟悉他的人都知道,他在楼里搞了个小食堂,办公室里摆了张床,经常一个星期不出房。从设计到实验,从实验到中试,从中试到小规模量产……数千次实验,贯穿了无数个昼夜。

功夫不负有心人。2004年他在国际上率先研制成功高光效硅衬底蓝光LED,2006年与王敏博士一道创办了晶能光电公司推动硅衬底蓝光LED产业化。2007年推出了国际上首只商用硅衬底蓝光LED,2009年推出了国际上首只硅衬底大功率蓝光LED。

硅衬底薄膜型LED芯片因其出光方向性优势,在手机闪光灯、强光手电、路灯、矿灯等领域获得了比较广泛的应用。2015年,高光效硅衬底蓝光LED成果获得2015年度中国国家技术发明奖中唯一的一等奖。

高光效黄光LED将有更大作为

长期以来,LED在黄绿光波段,特别是黄光波段,发光效率一直非常低,这一现象也被称作为“Green gap”,国际上几十年来未有明显突破。在高光效硅衬底蓝光LED获得成功后,江教授将新的目标瞄准高光效黄光LED这一世界性难题。“长期富蓝光照射对人体生理是有一定危害的。因此,随着近年来技术的改善,黄光LED发光效率逐渐提升,采用纯LED发光的时代正在到来,在部分市场正逐渐替代现有的主流技术。”在提到高光效黄光LED的开发时江风益表示。他带领团队设计制造了专用MOCVD装备,利用硅衬底带来的张应力,引入新准备层,提出了新理念,解决了铟镓氮黄光量子阱材料生长温度低、压应力过大、易相分离等难题,于2016年成功地将黄光LED的光功率效率(简称光效)从之前国际上最高不到10%提升到21%~30%(130~180lm/W,20~2A/平方厘米),成果被国际半导体照明联盟评为2016—2017年全球半导体照明年度大事。

“可见光LED光效还有进一步提升的空间,我国在LED和LED照明领域应该有更大的作为。”江院士在接受《中国电子报》记者采访时表示。近3年来,他们的团队在光效的提高上开展了大量工作,并取得有目共睹的成绩。目前硅基氮化镓绿光(520nm)、黄光(565nm)、橙光(585nm)LED在20A/平方厘米电流密度下光效分别达到46.1%(202lm/W)、26.7%(164lm/W)、15%(75lm/W);在2A/平方厘米电流密度下,绿光(528nm)、黄光(575nm)、橙光(590nm)LED光效分别高达61.9%(312lm/W)、41.4%(239lm/W)、18.8%(81lm/W)。他们组合高光效黄光、红光LED,成功开发了超低色温、无荧光粉、无蓝光的金黄光LED照明光源。该光源用于路灯、街灯等市政照明,色调与传统的高压钠灯接近,兼容夜间照明低色温氛围,减少了高色温LED灯带来的光污染;其高穿透性有助于提升道路行车安全系数,特别是在雨、雾、霾的环境中大大提高了道路的照明质量,已在国内十多个城市应用。“黄金光源用于家居照明,避免了富蓝光LED短波长光危害的风险,未来市场前景广阔。”

此外,可见光通信、智慧情景照明等领域也是LED大显身手的舞台。为此,江风益团队利用高效硅基氮化镓蓝、青、绿、黄光LED以及转移至硅基板上的铝镓铟磷红光LED,实现了无荧光粉多基色白光LED照明光源,具有响应速度快、多信道、光谱可调等优点。

2019年7月,诺贝尔物理学奖得主、美国UCSB教授中村修二在半导体照明大会上公开称赞:“南昌大学发明了发光效率世界最高的黄光LED,技术水平国际领先,这是中国人的一项非常大的发明,它有非常大的价值。”2019年11月25日,经中村修二教授推荐,江风益获得国际半导体照明联盟授予的“全球半导体照明突出贡献奖”。


责任编辑:赵强
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