现有的白光LED是通过蓝光LED激发黄色荧光粉获得的。虽然其光电转换效率已远超白炽灯和日光灯,但光品质还不够高,主要表现在显色指数、色温和光效之间难以协调发展,且因白光中短波长蓝光占比过多,容易引起视觉疲劳。因此有必要发展一种光效和光品质均好新技术,即显色指数、色温和光效之间能同步协调发展,且蓝光占比合理,人眼视觉舒适。也就是说,LED照明,不仅仅是功能性照明,还要照出健康,照出好心情,这就要发展高品质LED照明技术,即本项目所要发展的主要关键技术。
然而,该如何把握LED照明科技创新的正确发展方向呢?
高品质LED照明应具备低色温、高显色指数、高光效、对人眼安全与舒适等特点。经理论计算,采用多基色高光效LED(如红、橙、黄、绿、青、蓝)以适当比例合成全光谱白光可以满足以上要求。
我国红、橙、黄、绿、青、蓝6基色LED技术水平与国际一流水平持平或接近,其中红、橙光略低一些;同时在我国还诞生了获得2015年度国家技术发明奖一等奖的第三条LED照明技术路线—硅衬底GaN基LED。这些技术和产业基础,为本项目走跨越式发展之路,发展下一代LED照明关键技术提供了重要支撑。
在本项目立项之前,蓝光LED电光转换效率(在35A/cm2电流密度驱动下)约60%,红光约50%;而绿光约30%和黄光约10%,显著低于蓝光和红光光效,这个现象在学术界被称为“绿光鸿沟(GreenGap)”。因此,只有大幅提升绿光和黄光LED电光转换效率,才能使多基色LED照明达到光效和光品质协调发展。为此,本项目把提升绿光和黄光LED光效作为第一要务,所采用的技术路线是,在硅衬底上生长高光效黄光和绿光LED外延材料,发挥硅衬底上GaN材料所受张应力有利于生长高质量高铟组份的量子阱材料的优势,用MOCVD技术生长高光效黄光和绿光LED外延材料,目标是在项目执行期内,绿光光效达到45%和黄光25%,分别对应流明效率为218lm/w和163lm/w。同时,兼顾发展红、青、蓝三种光,在砷化镓衬底生长GaP基四元系红光材料,在蓝宝石衬底上生长GaN基青、蓝光材料,项目执行期内目标是,红光光效达到55%、青光55%和蓝光70%。
本项目在发展新一代LED照明技术(无荧光粉多基色LED)的同时,对现有的蓝光激发荧光粉LED照明技术进行改良,两种技术方案齐头并进。
本项目经过严格的申报和评审流程,最终由南昌黄绿照明有限公司牵头,联合国内25家在LED领域有影响力的高校、研究所和企业组成的技术创新团队,共同承担和攻关,项目研究期限为4年,国拨经费7473万元。项目负责人是南昌黄绿照明有限公司刘军林研究员,课题负责人分别是厦门三安光电科技有限公司张家宏博士、山东浪潮华光光电子股份有限公司李树强博士、常州市武进区半导体照明应用技术研究院王明明博士和易美芯光(北京)科技有限公司刘国旭博士。
项目要突破无荧光粉高品质全光谱LED光源用高光效五基色LED芯片(蓝光、青光、绿光、黄光、红光)结构设计、材料生长、芯片制造,以及器件封装和产品应用中的关键科学与技术问题。获得基于多基色LED的高品质全光谱白光照明技术和上中下游产品。
项目主要目标是率先突破下一代半导体照明核心技术即无需荧光粉的LED照明技术,促使黄光、绿光和青光LED性能全面领先国际,实现我国半导体照明技术的跨越式发展。
项目的研发成果将带来LED照明技术和产业的深刻变革,届时将为人类提供健康高效的高品质LED光源。同时引导上中下游市场逐步接受和使用高品质光源产品,有利于供给侧改革,促进LED照明产业的健康可持续发展。同时本项目成果还为智能照明、情景照明、可见光通信等应用领域提供新技术和新产品。
党的十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念,将创新摆在了国家发展全局的核心位置。“创新”将成为最重要的牵引作用,贯穿“十三五”整个时期和各个领域。本项目将践行国家科技创新发展战略,通过产学研协同创新、上中下游协同创新以及工艺和设备协同创新,来实现技术的新突破,将带动LED照明产业的转型升级。本项目牵头单位南昌黄绿照明有限公司和参与单位南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心合作,最新研发的硅衬底黄光LED光电转换功率效率达到20%,流明效率达130lm/W,远高于国内外公开报道的最好水平,为本项目的顺利实施迈出了坚实的一步。
本项目的最终目标是促使我国LED技术和产业全面领跑国际。