南昌大学杀入国家自然科学一等奖：江风益把LED里的'缺陷'变成了'武器'

7月8日，2025年度国家科学技术奖在北京揭晓。国家自然科学奖一等奖——这个21届评选中有9届空缺、宁缺毋滥到华罗庚和钱学森才配拿的奖——今年破天荒发了3个。北大一个，中科院一个，第三个给了南昌大学。

不是清华，不是浙大，不是中科大。是南昌大学。

拿奖的人叫江风益，中国科学院院士，在南昌搞了30多年LED。他的获奖项目叫"V缺陷三维PN结及应用"——名字听着很学术，但干的事情用一句话就能说清楚：

他把LED芯片里人人避之不及的"缺陷"，变成了提升性能的"武器"。

今天这篇文章，不聊AI，聊一个比AI更底层的东西——光。以及一个在"双非"高校里追了30年光的人。

一、先搞懂：国家自然科学奖一等奖有多难拿？

很多人可能对"国家自然科学奖一等奖"没有概念。让我用几组数字帮你建立认知：

这个奖的三大硬性门槛：

1. 重大原创性突破——不是改良，不是优化，是从0到1的原始创新
2. 国内外学术界公认——不是自说自话，是全球同行都认可你的贡献
3. 引领学科发展或支撑核心技术突破——对整个领域有开创性影响

一句话：这是中国自然科学领域的"天花板"，不是你论文发得多、影响因子高就能拿的。

2025年这三个一等奖分别是：

三个项目，化学、物理、信息各一个。南昌大学的这个，是三个一等奖中唯一的信息领域项目，也是江西省历史上首次以省内单位为第一完成单位拿到自然科学一等奖。

二、LED的三条路线之争：为什么硅衬底是"Hard模式"？

2.1 蓝光LED的故事你可能听过

2014年诺贝尔物理学奖颁给了三位日本/美籍科学家——中村修二、赤崎勇、天野浩，理由是发明了高效蓝色LED。蓝光LED的出现让白光LED照明成为可能，被称为"点亮21世纪的发明"。

但很多人不知道的是：做蓝光LED的氮化镓（GaN）材料，不能直接长在"自己"的衬底上，必须借助其他材料做"地基"。

这就催生了三条技术路线：

前两条路线是日本和美国主导的，专利壁垒高得吓人。

硅衬底路线是中国自主开辟的第三条路。

2.2 硅衬底为什么是"世界级难题"？

打个比方：在蓝宝石上长氮化镓，就像在水泥地上铺瓷砖——材料虽然不同，但膨胀系数接近，基本能贴合。

在硅上长氮化镓，就像在橡皮泥上铺瓷砖——你一加热，橡皮泥膨胀得快，瓷砖膨胀得慢，直接就裂了。

硅和氮化镓之间存在两大"天敌级"矛盾：

1. 热失配：硅的热膨胀系数比氮化镓大得多，温度一变就会产生巨大应力，导致材料开裂
2. 晶格失配：两种材料的原子排列间距差异大（约17%），强行生长会产生大量位错缺陷

全球科学家研究了40多年，都认为这条路走不通——缺陷太多，发光效率太低。

江风益偏偏就选了这条最难的路。

三、核心创新：把"缺陷"变成"武器"

3.1 传统认知："缺陷越少越好"

在半导体物理中，"位错缺陷"是一个人人喊打的东西。

位错就像材料晶格中的"裂缝"。 电子和空穴（载流子）路过这些裂缝时，能量会被吞掉而不是变成光——专业术语叫"非辐射复合"。通俗说就是：缺陷把光吃了。

所以几十年来，全世界做LED的科学家都在追求一件事：减少缺陷，越少越好，越小越好。

在蓝宝石和碳化硅衬底上，这个思路是对的——因为缺陷密度本来就不高，减少缺陷确实能提高光效。

但硅衬底呢？缺陷密度比蓝宝石高了两三个数量级。 你就算拼命减少，也减不到蓝宝石的水平。

这就是为什么整个行业都认为硅衬底LED"不可能做好"——因为你没办法消灭缺陷，而缺陷会吃光。

3.2 江风益的"逆向思维"

2008年，江风益团队在实验中观察到了一个反常现象：

某些含有大V型缺陷的样品，发光效率反而更高。

这完全违背了"缺陷越少越好"的传统认知。大多数研究者看到这种数据会认为"测量有误"或"巧合"，但江风益没有放过这个反常。

经过4年的研究，他在2012年提出了一个大胆的假说：

V缺陷不是在"吃光"，而是在"帮忙"——它创造了一条新的空穴注入路径。

3.3 三维PN结：从"二维"到"三维"的跃迁

要理解这个创新，需要知道LED发光的基本原理：

LED发光 = 电子 + 空穴 → 在量子阱中相遇 → 释放光子

问题出在"空穴注入"这个环节。在传统的平面（二维）PN结中，空穴要穿过一个高势垒才能到达量子阱——就像翻一座山。势垒越高，能到达的空穴越少，发光效率越低。

而V缺陷恰好创造了一个倒V字形的三维结构。 这个V形结构的侧壁是半极性面，它的势垒比传统的极性面低得多。

打个比方：

传统方案就像让快递员翻山送快递——山太高，很多包裹送不到。

江风益发现的V缺陷方案，相当于在山里打了一条隧道——快递员不用翻山，直接穿过去就到了。

而且这条"隧道"不是你凿出来的，是缺陷天然形成的——你只需要学会利用它，而不是消灭它。

3.4 从假说到理论：14年磨一剑

从2008年看到反常现象，到2019年形成完整理论体系——11年。从2003年开始做硅衬底LED研究——超过20年。从1990年代开始半导体发光研究——超过30年。

四、实际成果：不只是理论，是真的能用

4.1 攻克"黄光鸿沟"

LED行业有一个著名的难题叫"黄光鸿沟"（Yellow-Green Gap）：蓝光LED很亮，红光LED也还行，但黄光和绿光LED的效率一直上不去。

传统黄光LED的光效长期不到10%——也就是说，输入的电能只有不到十分之一变成了黄光，其余全变成了热。

江风益团队用V缺陷三维PN结理论，把黄光LED光效从不到10%拉到了30%以上，峰值条件下甚至超过70%。

具体数据：

• 565nm黄光LED：在20 A/cm²工作电流密度下，外量子效率26.7%（对应164 lm/W）
• 577nm黄光LED：在1 A/cm²下，外量子效率42.8%（对应248 lm/W）

这不是小幅提升，这是从"基本不能用"到"可以商用"的质变。

4.2 无荧光粉照明：改写产业路线

目前市面上的白光LED，其实是蓝光LED + 黄色荧光粉——蓝光激发荧光粉发出黄光，混合后看起来是白光。

这个方案有几个问题：

• 荧光粉会老化，导致LED变色
• 能量在蓝光→黄光转换中损失
• 显色指数有上限

江风益团队开拓了一条全新的路线：直接用不同颜色的LED芯片（红、黄、蓝、绿）混合出白光——不需要荧光粉。

产品已经批量应用于路桥照明和氛围照明。

4.3 从LED到显示：Micro-LED和AR眼镜

更让人兴奋的是，V缺陷三维PN结技术还延伸到了显示领域：

• 实现了硅基氮化镓LED与硅基电路晶圆级集成——这意味着LED和驱动芯片可以在同一块硅晶圆上"长"出来
• 研制成功微型显示屏
• 研制成功全球首款黄光AR眼镜

从照明到显示，从路灯到AR眼镜——这就是基础研究的力量。一个底层理论的突破，可以撬动整个产业链。

五、为什么这个故事值得关注？

5.1 非共识路线的胜利

江风益的座右铭是"多发光，少发热"——这句话有三层含义：物理上是LED的追求，做人上是低调务实，选题上是不追热点、不跟风。

2003年他决定做硅衬底LED时，全行业都在蓝宝石和碳化硅路线上卷。选硅衬底，意味着：

• 没有现成的技术路线可以参考
• 国际上普遍认为"做不成"
• 发论文难、拿经费难、招学生难

他自己说过，科研方向需要满足"三重逻辑"：物理上可行、技术上可实现、生态上有产业前景。

硅衬底满足这三条——硅是地球上最丰富的半导体材料，成本低、晶圆大、可以和集成电路工艺兼容。唯一的问题是"缺陷太多"——而他最终把缺陷变成了优势。

5.2 从实验室到产业：不只是发论文

很多科研成果止步于论文。江风益的不同之处在于：他20年前就孵化了晶能光电，把硅衬底LED技术推向产业化。

2015年，"硅衬底高光效GaN基蓝光LED"获得国家技术发明一等奖。

2026年，"V缺陷三维PN结及应用"获得国家自然科学一等奖。

一个人，在同一个方向上，拿了"技术发明"和"自然科学"两个一等奖——一个奖励"做出来"，一个奖励"想明白"。这在中国科技史上极为罕见。

5.3 诺奖得主的认可

中村修二——就是那个因为蓝光LED拿了诺贝尔奖的人——对江风益团队的工作给予了认可。

当你的竞争对手（蓝宝石路线的开创者）都承认你的成果时，这比任何benchmark都有说服力。

写在最后

在AI刷屏、大模型军备竞赛白热化的今天，我们很容易忘记：真正改变世界的技术突破，往往不是那些"对标GPT""全面超越"的热闹故事，而是像江风益这样，在一个方向上安静地挖了30年的人。

他的故事有几个让我特别触动的点：

第一，他把"缺陷"变成了"武器"。 所有人都在想着消灭缺陷，他是第一个问"缺陷有没有可能是有用的？"的人。这种逆向思维，才是真正的原始创新。

第二，他选了最难的路。 不是在蓝宝石路线上做增量优化（那样更容易发论文、拿经费），而是选了一条被全世界认为走不通的路——然后走通了。

第三，他不只是"想明白了"，还"做出来了"。 从理论到产品，从实验室到工厂，从路灯到AR眼镜。基础研究的价值，最终要通过产业落地来证明。

南昌大学，一所211高校，在LED这个领域打出了世界级的成果。这告诉我们：决定科研高度的不是学校的title，而是研究者的眼光、坚持和那一点点"不信邪"的勇气。

"多发光，少发热"——这大概是对一个LED科学家最好的评价，也是对所有做技术的人最好的建议。