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光的“小米粒”。這是一種半導體發光二極管（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達國家書寫。100多年后，中國成為全球最大的LED產品制造、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研發引領的LED技術在中國遍地開花，成為全球節能環保和萬億光照產業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，而高效節能的LED產品將大行其道。

在全球范圍內，照明用電都是很大的能源消耗，發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。無論是推進節能減排、應對氣候變化，還是推動產業轉型升級，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超越的重大機遇。

氮化鎵（GaN）作為第三代半導體材料，具有優異的電學、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，制備氮化鎵LED面臨著效率低、成本高的巨大挑戰。打破這些技術壁壘是推進半導體照明的基礎環節。

“21世紀是綠色、節能、環保的世紀，如果我們現在不抓緊，可能又要落后了。”時不我待，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中。

當時，國內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，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研，論證中國發展LED的可行性。經過多方論證，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，就是產學研相結合。

“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徹底融入社會生產生活的方方面面。因此，一切研究都應以應用為出發點。”談到這項工程的初心，作為主要發起人之一的李晉閩干脆地說。

然而，LED產業有很長的鏈條，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，發達國家圍繞LED的研制已經展開了激烈的技術競賽。在這條產業鏈上，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業鏈條整體布局，組建了當時國內唯一的集裝備制造、外延生長、芯片工藝、器件封裝和產品測試于一體的LED全鏈條研發團隊。這個團隊集結了不同領域的優秀科研人員，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、設備接近產業化的研究團隊，為后來的技術發展和產業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，也是整個產業鏈中技術難度最大的。

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

LED發光芯片。

半導體所研究員、寬禁帶半導體研發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。“它是在特有精密外延裝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、襯底轉速等都要精確把控。”

“‘燈芯’內部發光核心層的厚度總共只有幾十納米，大約是頭發絲直徑的千分之一，但內含復雜精細的微納結構。”王軍喜表示，“燈芯”生長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控，才能實現高質量材料生長，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構LED芯片。

為滿足大功率LED芯片需求，團隊研發出一系列具有自主知識產權的器件工藝技術，開發出適合產業化的垂直結構工藝流程，使器件性能不斷提升。

值得一提的是，為了讓研發的關鍵工藝與企業生產線在技術轉化上無縫銜接，提高產研轉化效率，半導體所建成了同時具備研發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能力，為產業研發提供了成熟的工藝技術支撐。

3 從科技強到產業強

2003年，曾有業內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照明廠家的從業者失業嗎？

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

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研的企業或研究機構，他想去了解目前產業技術的應用進展，或者驗證自己的一些新思路、新想法。

隨著產業逐步發展，國內半導體照明企業的手工生產線向自動化調整。李晉閩很快發現一個問題：“目前我國相關產業部分裝備水平很低，特別是關乎產業安全的重大核心裝備主要依靠進口，導致企業投資成本高，增加了產品的制造成本，嚴重影響了產品的市場競爭力。國內半導體照明企業非常期盼這些裝備的國產化，這是中國半導體照明產業真正獲得主動權的必經之路。”

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芯片制造環節中最昂貴的設備，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作貢獻，大約需要3年時間。而國際上MOCVD產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，作為制造業大國，我們的產業壓力很大。”李晉閩感慨，“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。”

半導體所希望通過產學研結合來改變這種狀況。2010年，團隊研制出7片2英寸外延片的MOCVD設備樣機，隨后又開始研發更大型的MOCVD裝備，直接瞄準LED規模化外延生產中的大容量需求。

為促進成果轉化，推動地方經濟發展，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產業化。2012年，半導體所和一家地方企業共同研制的國內首臺48片生產型MOCVD設備，在完成總體組裝調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化開了先河，成功邁出了第一步。

產學研合作發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的新型襯底外延技術用于企業的大型產業化設備，進行技術效果驗證，可企業并不歡迎。他們認為，與研究所的合作會影響現有大型設備的工作效率，進而降低生產收益。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，企業驚喜地發現，新技術的導入能夠使產品的光效提升20%以上，利潤得到了大幅提高，從此，后續的合作局面一下就打開了。

基礎研究、工程化、產業化是一個完整鏈條。而半導體所的研發理念正是開放、合作，圍繞半導體照明主流關鍵技術與產業界進行聯合創新。

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業化”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業化”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及產業聯盟，以及后期以聯盟為依托建設的半導體照明聯合創新國家重點實驗室。正是它們的存在，讓科研院所、高校與政府、企業深度黏合在一起，讓更多具有自主知識產權的關鍵技術得以轉移轉化、產業化驗證和輻射，推動產業和經濟的進一步發展。

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技術節約了大量能源，為可持續發展樹立了典范，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技術在低溫環境中的應用，徹底解決了傳統光源汞污染問題。

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，實現了全球最大規模的LED芯片量產，帶動了數千億元下游應用市場。

與研發初期相比，LED性能提高16倍、價格下降到1/200，芯片國產化率由不足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。隨著技術進一步發展，LED的作用已不僅僅用于照明。基于紫外LED的“超越照明”成為半導體照明領域的新技術與應用新方向，且發展迅猛。

紫外LED替代傳統汞燈在消毒殺菌方面的應用，類似于白光LED替代傳統光源在照明領域的應用，正在促成一個巨大的新興產業。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，實現技術轉化。目前，相關產品已經在固化、殺菌、醫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）