中國科學(xué)院學(xué)部第十屆學(xué)術(shù)年會全體院士學(xué)術(shù)報告會
7月10日，中國科學(xué)院學(xué)部第十屆學(xué)術(shù)年會全體院士學(xué)術(shù)報告會在北京舉行。500余位院士到場，7位院士圍繞基礎(chǔ)科學(xué)前沿作報告。江風(fēng)益是信息技術(shù)科學(xué)部唯一一位報告人。
“我今天戴的是增強現(xiàn)實眼鏡，帶微型顯示屏。”江風(fēng)益開場時介紹自己戴的這副黃光AR眼鏡，總重量只有37克。他講的題目是“硅基氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光”。
就在兩天前，7月8日，國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會先期在京召開。江風(fēng)益團隊完成的“V缺陷三維PN結(jié)及應(yīng)用”項目獲2025年度國家自然科學(xué)獎一等獎。這是繼2015年硅襯底藍(lán)光LED獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎之后，該團隊十年間第二次站上國家科技最高獎的領(lǐng)獎臺。
學(xué)術(shù)年會上，他向500余位院士系統(tǒng)介紹了團隊在硅基氮化鎵領(lǐng)域二十余年的積累——從跳出國外技術(shù)路線的延長線，到提出新理論方法，再到從基礎(chǔ)研究起步做到商品化的全過程。
“非共識”路線：硅基氮化鎵
江風(fēng)益院士作報告分享
“輕量化AR眼鏡對微型顯示屏要求苛刻。”江風(fēng)益說，硅基氮化鎵LED與硅基電路晶圓級集成是關(guān)鍵。這是他已經(jīng)深耕了20多年的方向。
在半導(dǎo)體照明芯片領(lǐng)域，長期存在三條研究路線：一條以藍(lán)寶石為襯底，一條以碳化硅為襯底，還有一條非共識路線——以硅為襯底。江風(fēng)益選擇了這條冷門路線——硅基氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光，決定要走出一條自主創(chuàng)新的半導(dǎo)體照明芯片技術(shù)路線。
2003年底啟動這項研究，經(jīng)過2004年和2005年的努力，江風(fēng)益團隊在國際上率先突破高效硅基氮化鎵藍(lán)光LED材料與芯片技術(shù)，打通了半導(dǎo)體照明芯片的第三條路線。
江風(fēng)益一直堅持“適度超前”原則。在他看來，選方向要滿足三重邏輯：物理邏輯上理論可行，技術(shù)邏輯上能夠?qū)崿F(xiàn)，生態(tài)邏輯上具備產(chǎn)業(yè)前景。硅基氮化鎵在當(dāng)時雖屬尚未走通的技術(shù)路線，但符合這三條。
V缺陷：從“大害”變“大用”
氮化鎵LED在材料生長過程中會出現(xiàn)一種V缺陷。長期以來，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為它是有害瑕疵，會導(dǎo)致LED光效低下。
江風(fēng)益團隊不這么看。2008年，他們在實驗中觀測到大V缺陷的有益作用，但當(dāng)時只知其然。2012年，江風(fēng)益提出猜想：空穴從V缺陷側(cè)壁注入，改變了輸運路徑。2014年，團隊用理論計算證實了猜想并發(fā)表論文。2016年，運用大V缺陷三維結(jié)構(gòu)，突破了高效黃光LED技術(shù)。2019年，團隊正式提出“V缺陷三維PN結(jié)理論方法”。
團隊首次揭示，V缺陷能夠形成天然的三維PN結(jié)，同時促進(jìn)空穴高效注入、抑制電子泄漏，并有效釋放器件內(nèi)部應(yīng)力，從而顯著改善載流子復(fù)合效率和器件穩(wěn)定性。基于這一發(fā)現(xiàn)，團隊將傳統(tǒng)二維平面PN結(jié)理論拓展至三維半導(dǎo)體結(jié)物理體系，完善了氮化鎵發(fā)光器件的基礎(chǔ)理論框架。
“我們打破了‘位錯缺陷越少越好、越小越好’的傳統(tǒng)認(rèn)知。”江風(fēng)益說，這一理論使PN結(jié)界面從二維發(fā)展到三維，V缺陷從“有大害”到“有小害”，最終變成了“有大用”。黃光LED光效、氮化鎵紅光LED光效和藍(lán)綠光LED電注入效率由此大幅提升。
團隊成員全知覺博士回憶，一次實驗中材料生長到中段，取出看電鏡照片，大V缺陷“觸目驚心”。按照傳統(tǒng)認(rèn)知，大家都覺得應(yīng)該減少、減小V缺陷，江風(fēng)益卻說：“不，很有意思，要深入研究下去，我看它有用。”
依托這一原創(chuàng)理論，研究團隊進(jìn)一步突破了長期困擾LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綠光、黃光LED發(fā)光效率低、器件衰減快等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開辟了無需熒光粉轉(zhuǎn)換的純芯片發(fā)光技術(shù)路線，在提升發(fā)光效率、降低能量損耗和增強器件可靠性方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。
從基礎(chǔ)研究到商品化
該項目開拓了純芯片LED照明技術(shù)路線（無熒光粉），產(chǎn)品批量用于路橋照明、氛圍照明等場景；顯示芯片批量應(yīng)用于特種專項裝備。
更關(guān)鍵的是，項目實現(xiàn)了硅基氮化鎵LED與硅基電路晶圓級集成，研制出微型顯示屏及首款黃光AR眼鏡。江風(fēng)益展望，隨著技術(shù)持續(xù)突破，硅基氮化鎵LED有望使照明更節(jié)能、更舒適，實現(xiàn)高性能微顯示單片全彩屏，推動全彩AR眼鏡進(jìn)入消費市場。
南昌實驗室的座右銘是六個字：“多發(fā)光，少發(fā)熱”。江風(fēng)益說，這句話有三層意思：發(fā)光二極管發(fā)光和發(fā)熱成反比，要多發(fā)光就必須少發(fā)熱；為人處世要多做實事，少頭腦發(fā)熱；科研選題要少湊熱鬧，不跟風(fēng)。
從跟跑到追趕到超越，江風(fēng)益帶著團隊用30多年時間，把一條“非共識”路線走成了中國半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的自主創(chuàng)新之路。
信息來源： 央廣網(wǎng)、中國科學(xué)報
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