“光电子科技引领半导体创‘芯’未来”系列科技成果展示之四 | 高光效长寿命半导体照明关键技术与产业化

2022-07-26 14:56

氮化物基发光二极管（LED）是新一代半导体照明光源的核心器件，具有高效节能、绿色环保的特点，是半导体照明产品走进千家万户的关键。随着各国淘汰白炽灯计划、国际《水俣公约》限汞排放淘汰荧光灯计划的进一步实施，半导体照明市场呈现爆发式增长。产业发展初期，核心技术被欧美日企业垄断，芯片产品高度依赖进口。

中国科学院半导体研究所半导体照明研发中心与三安光电股份有限公司等9家公司，历时十余年联合技术创新，率先突破了全链条自主可控的半导体照明关键技术，实现半导体照明核心器件国产化。

针对LED芯片电光转换效率低的问题，揭示LED芯片在不同电流密度下效率下降的主要物理机制；提出缺陷共振态p型氮化镓掺杂新方法，电阻率达0．136Ω·㎝；基于能带调控和高效p型掺杂实现载流子匹配注入；提出基于复合纳米图形衬底与PVD氮化铝缓冲层的LED材料产业化技术，发明多种芯片光提取技术，实现光效252lm／W的LED芯片与全球最大规模外延芯片量产。

针对LED器件长期工作可靠性差的问题，发明嵌入式电流阻挡与掺杂铟锡氧化物透明导电薄膜匹配的电注入调控技术，解决LED芯片电极失效与金属扩散问题；发明精简热传导界面的超低热阻封装结构与热通道管理技术，器件热阻降至1．89K／W；实现高可靠器件，经6000小时可靠性测试光衰小于2％。

针对LED产品规格不一、标准缺乏的问题，采用基于硅胶透镜直接光耦合技术，实现报告寿命≥60000小时的LED标准化光源模组；突破产品规格化、标准化共性关键技术，制定半导体照明产品规格接口的团体标准，被产业广泛采纳并推荐为国际标准，推动我国半导体照明产品标准化与规模应用。

研制的LED技术成果在人民大会堂、APEC会议室、“十城万盏”节能改造、北京奥运会、哈尔滨冰雪大世界等场景开展了大规模推广应用。LED芯片及产品出口至欧美多个国家，实现了自主研制的半导体照明芯片取代进口，促进半导体照明终端产品大幅降价和大规模的推广应用，经济效益与节能减排效果显著，支撑了国民经济的绿色、可持续发展，引领我国由传统照明向半导体照明产业技术进步与转型，形成全球最大的LED照明产品生产消费和出口国。“高光效长寿命半导体照明关键技术与产业化”项目获得2019年度国家科学技术进步一等奖。