国家自然科学奖“V缺陷三维PN结及应用”项目：微观求索 “有害”亦“有用”
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中新网南昌7月8日电 题：国家自然科学奖“V缺陷三维PN结及应用”项目：微观求索 “有害”亦“有用”
作者 朱莹
8日，中国科学院院士江风益带领团队完成的“V缺陷三维PN结及应用”项目，荣获国家自然科学奖一等奖。
7月3日，位于江西省南昌市高新区的南昌大学LED实验室(南昌实验室)，江风益介绍团队“V缺陷三维PN结及应用”项目。朱莹 摄
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V缺陷从“大害”到“小害”再到“大用”
“V缺陷三维PN结及应用”项目属于应用基础研究，深耕硅基氮化镓LED，跳出国外技术路线的延长线，走出自主研发的新路径，提出了新理论方法，实现了技术水平跃升，从基础研究起步做到了商品化。
项目发现，该材料量子阱区域，位错诱导形成的大尺寸V缺陷三维结构，具有增强空穴注入量子阱和提高量子阱质量等有益作用，打破“位错缺陷越少越好/越小越好”传统认知。提出了V缺陷三维PN结理论方法，使PN结界面由二维发展到三维，空穴注入量子阱的路径从势垒高的极性面转变为从势垒低的半极性面，使V缺陷从有“大害”到有“小害”，发展为有“大用”。由此，大幅提升黄光LED光效、氮化镓红光LED光效和蓝绿光LED电注入效率。
项目开拓了纯芯片LED照明技术路线(无荧光粉)，产品批量应用于路桥照明和氛围照明等场景。项目显示芯片批量应用于特种专项装备。项目实现了硅基氮化镓LED与硅基电路晶圆级集成，研制成功微型显示屏及首款黄光AR眼镜。
项目在非共识路线上提出的理论方法，获国际同行公认，被推广应用到量大面广的共识路线，提升其技术水平，推进半导体发光学科和半导体照明显示产业发展。
“原始创新更需打破固有认知”
江风益近日在南昌受访时介绍，整个研究历程是“实践-理论-再实践-再理论”的完整闭环，充满辩证思维，“科研中逻辑思维、传统认知固然重要，但原始创新更需要打破固有认知的辩证思维”。
据介绍，1993年学界首次出现V缺陷相关研究论文；2005年德国科学家提出V缺陷能屏蔽位错，是重要进步，但又指出其所占面积要越小越好。此后全球科研同行以减少、减小V缺陷为研究方向。
江风益团队依托海量实验试错，2008年意外发现V缺陷具备正向作用，但当时只观测到现象，无法解释底层机理；2012年，江风益猜想其机理为空穴从V缺陷侧壁注入量子阱；2014年团队通过理论计算，正式对外公布V缺陷具备有益作用的新机理，明确空穴载流子通过V缺陷侧壁传输进入量子阱。
“基于该理论，我们攻克五十多年未能解决的高效黄光LED技术难题。突破后，团队快速推出无荧光粉照明产品，视觉舒适度高，且节能效果较好。”江风益说，节能减排是全球科技发展的主旋律之一，这项基础研究成果应当全球共享，因此，2019年团队发表论文，提出“V缺陷三维PN结”的新概念。
江风益团队以高效黄光LED为引擎，开拓纯LED芯片照明路线，实现众多新应用。图为江西井冈山盘山公路照明应用场景。(资料图)南昌实验室供图
“长期坚持做一件事”
江风益长期从事半导体发光方向的研究工作，涉及材料生长、芯片制造、器件物理和专用装备等方面。他曾带领团队在国际上率先研制成功高光效硅基氮化镓蓝光LED材料与芯片，经企业努力，实现产业化，推出了差异化、有竞争力的新产品。
“V缺陷三维PN结及应用”项目是江风益团队十多年持续攻关的结晶，是“长期坚持做一件事”的成果。
江风益说，科研突破无法精准预判周期，只能提前判断赛道长期价值，选对方向才可能持续产出成果；一旦赛道判断失误，再多资源投入也难以取得突破。因此，原始创新产业化闭环成功率极低，充满不确定性。
“23年前我选定硅基氮化镓非共识路线，深耕小众市场，如今该技术在多个细分市场具备明显优势，并已成为AR眼镜核心零部件微型显示首选技术路线。”江风益说。
“全球科研竞争激烈，资源总量有限，必须把有限资源集中投入单一细分赛道，才可能攻克别人没有完成的技术难题。这是我的科研发展理念。”江风益说。
目前，依托“V缺陷三维PN结及应用”项目，江风益团队新孵化了六家规上企业。
谈及项目下一步发展，江风益介绍，基于该项目有三个研发方向：一是基础性发光元器件材料微观精准调控，实现更高效发光；二是通用照明新应用；三是智能AR眼镜技术性能与应用场景升级。
江风益说，该项目研究体系仅涉及硅、氮、镓、铟、铝、镁六种化学元素，但需要调控的参数众多，优化空间大，“更高发光效率、更低能耗是我们长期不变的科研追求，目前技术远未达到发展上限。”
“我们的研究属于长周期基础攻关，无法短期速成。令我欣慰的是，我们初步建成良好的体制机制，370多人长期坚守同一方向，力求把技术做到极致。”江风益说。
放眼江西科创发展全貌，这份亮眼成绩并非偶然。依托持之以恒的布局耕耘，江西科创建设收获了实实在在的成效：2025年全省综合科技创新水平指数为69.63%，全国位次前移至第15位，较“十三五”末提高12.95个百分点，增幅居全国首位。如今，一批重大创新平台在江西落地生根，企业创新活力显著增强，科技成果转化体系持续完善，科技创新已成为驱动江西高质量发展的核心引擎。(完)
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