硅襯底LED技術(shù)（硅襯底高光效GaN基藍色發(fā)光二極管）這一技術(shù)也在今年國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，一舉摘下國家技術(shù)發(fā)明一等獎的桂冠。這在LED照明行業(yè)接二連三的“倒閉潮”背后居然還有一匹“黑馬”讓人眼前一亮。

一哄而上又遇經(jīng)濟下滑，剛剛過去的2015年，曾經(jīng)風(fēng)光無限的LED行業(yè)一如前兩年般慘烈。一年間，LED企業(yè)數(shù)量減少了20%，約4000家企業(yè)退出市場。

然而，接二連三的“倒閉潮”背后還有一匹“黑馬”讓人眼前一亮。在南昌，晶能光電（江西）有限公司不僅年銷售額一路飄紅，而且趟出了一條技術(shù)新路。

“我們的目標是成就世界級半導(dǎo)體照明公司，成為中國人的驕傲！”CEO王敏博士底氣十足。工欲善其事必先利其器。王敏的底氣源自他們掌握的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、目前全球領(lǐng)先的硅襯底LED技術(shù)（硅襯底高光效GaN基藍色發(fā)光二極管）。而這一技術(shù)也在今年國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，一舉摘下國家技術(shù)發(fā)明一等獎的桂冠。

項目主要完成人之一——江風(fēng)益教授

項目主要完成人之一——孫錢博士（右一）

項目主要完成人之一——王敏博士

不就是一項硅襯底LED技術(shù)嗎？但如果你清楚LED發(fā)展歷史，或許會由衷發(fā)出一聲感嘆。因為，這是一項改寫了半導(dǎo)體照明歷史的顛覆性新技術(shù)。

“用普通的設(shè)備，更低成本的工藝生產(chǎn)LED”，美國麻省理工《科技創(chuàng)業(yè)》雜志2011年評選的“全球最具創(chuàng)新力企業(yè)50強”中，晶能光電憑此與Appple、IBM等公司一同上榜；

“這一技術(shù)改變了日本公司壟斷藍寶石襯底和美國公司壟斷碳化硅襯底半導(dǎo)體照明技術(shù)的局面，形成了藍寶石、碳化硅、硅基半導(dǎo)體照明技術(shù)方案‘三足鼎立’的局面。”國家863專家組如是評價......

一個名不見經(jīng)傳的LED企業(yè)緣何獲此殊榮，引起業(yè)界內(nèi)外的廣泛關(guān)注？事情還要從藍光LED芯片的制備講起。

一般，我們所見到的白光LED，由藍光LED芯片激發(fā)黃色螢光材料而來。此前，藍光LED芯片主要有兩種技術(shù)路線，一種是藍寶石襯底，一種是碳化硅襯底上。其中，藍寶石襯底技術(shù)路線的三位發(fā)明者榮獲2014年諾貝爾物理學(xué)獎，碳化硅襯底技術(shù)路線發(fā)明者則獲得美國總統(tǒng)技術(shù)發(fā)明獎。

而在硅襯底上制備高光效LED芯片，雖說一直是學(xué)界夢寐以求的目標，世界各國研究者歷經(jīng)四十余年的鉆研，卻遲遲沒有找到克服關(guān)鍵技術(shù)難點的理想解決方法。

“難！”這是LED專家們對在硅襯底上制備藍光LED芯片的第一反應(yīng)！難在哪兒？制備LED芯片先要在襯底上長出氮化鎵發(fā)光薄膜。可問題是，因硅和氮化鎵材料的熱失配和晶格失配，人們長期無法得到高質(zhì)量的氮化鎵發(fā)光薄膜。如此一來，硅襯底LED芯片制備自然無從談起。

“雞蛋也要碰石頭”。當硅襯底這一技術(shù)路線被業(yè)界宣判“死刑”，2003年以南昌大學(xué)江風(fēng)益教授領(lǐng)銜的研發(fā)團隊反其向而行——瞄準硅襯底LED技術(shù)，奮力一搏！

并非一時頭腦發(fā)熱。選擇硅作襯底前，江風(fēng)益團隊已跟蹤研究藍寶石襯底技術(shù)長達10年。但他們深知藍寶石襯底盡管是目前市場的主流技術(shù)路線，但受材料所限，很難做到8—12吋等大尺寸外延，在大規(guī)模自動化制造方面也有一定的局限；且因藍寶石散熱性能差，又難以剝離襯底，故在大功率LED方面具有性能局限性。碳化硅的性能有目共睹，可走的是“貴族路線”，成本高昂，不適宜大規(guī)模普及。

“硅作為一種襯底材料，與藍寶石和碳化硅相比，具有低成本、大尺寸、高質(zhì)量、可導(dǎo)電等優(yōu)點，被認為是最具前途的生長氮化鎵藍光LED的襯底材料，未來照明市場必將趨向于選擇這種性能好可靠性高且成本低廉的技術(shù)路線?！苯L(fēng)益信心滿滿。

也屬幸運，彼時同江風(fēng)益并肩作戰(zhàn)的王敏等人亦十分看好這條技術(shù)路線。“我國是名副其實的LED產(chǎn)品制造大國，國內(nèi)LED企業(yè)均采用藍寶石技術(shù)路線，其中布滿了LED巨頭精心埋下的專利地雷。過去10年，許多LED企業(yè)曾為此吞下苦果?！闭勂鸪踔?，低沉的話語中是王敏沉甸甸的責(zé)任感。在王敏看來，DVD受制于他國的教訓(xùn)警醒我們，國外LED大廠“放水養(yǎng)魚”的功夫已爐火純青，LED專利大戰(zhàn)隨時有一觸即發(fā)的可能，“硅襯底技術(shù)路線是唯一有有可能沖破國外專利封鎖的機會?！?/p>

江風(fēng)益在觀察一張 硅襯底 藍光LED芯片

矢志不渝。2004年研發(fā)團隊在國際上率先攻克硅襯底氮化鎵基LED材料與器件技術(shù)。2005年實驗室出樣品，2006年創(chuàng)辦晶能光電，2007年中試成功，2008年小批量試生產(chǎn)，2009年量產(chǎn)......多年艱苦卓絕的攻關(guān)研發(fā)，晶能光電的硅襯底LED技術(shù)日臻成熟。

更重要的是，以此技術(shù)為核心，晶能光電已申請（含授權(quán)）國際國內(nèi)專利330多項，在LED外延生長、芯片制造、封裝及應(yīng)用等領(lǐng)域均有布局，成功避開了眾多國外LED公司的專利封鎖。而且事實印證，硅襯底LED壽命超過6萬小時，性能媲美國際大廠，成本最低！據(jù)計算，硅襯底、藍寶石襯底和碳化硅襯底制作薄膜型LED芯片的制造成本比為1：1.3：3.6。

看著今天晶能光電硅襯底LED技術(shù)的成功，很多人艷羨不已。但鮮有人知的是，彼時他們選擇硅襯底技術(shù)路線，被斥為異想天開。

質(zhì)疑并非毫無來由。同40多年前曾經(jīng)研究硅襯底的IBM及馬德伯格大學(xué)等知名院校相比，這支最初僅有幾人的研發(fā)團隊，無論是資金實力還是研發(fā)實力方面的懸殊都不是一點點。“這項技術(shù)，國外都沒有突破，你們憑什么能夠成功？”“用不了多久，硅襯底技術(shù)將‘胎死腹中’”。從選擇硅襯底技術(shù)路線的那天起，類似的唱衰聲便不絕于耳。

回首當年，王敏坦陳那是一段“在黑暗中摸索”的歷史。不過，面對紛涌而來的冷嘲熱諷，他淡然一笑——不反擊亦不回避。他說，有質(zhì)疑很正常，“質(zhì)疑是另外一種動力，最好的回答是把事情做好，用事實說話?！?/p>

于硅襯底LED技術(shù)而言，最大的“攔路虎”是硅和氮化鎵材料的熱失配和晶格失配：硅和氮化鎵之間熱膨脹系數(shù)差異高達57%，硅上氮化鎵薄膜材料在1000多度生長后驟然降到室溫的過程中，受到巨大的張應(yīng)力從而發(fā)生龜裂，無法滿足制作器件的基本需求；硅和氮化鎵之間晶格失配則高達19%，這就使得外延膜中產(chǎn)生過高位錯密度進而導(dǎo)致晶體質(zhì)量差，無法獲得高質(zhì)量LED。

如何攻克這一世界級難題？患有嚴重腰椎間盤突出椎管狹窄癥的江風(fēng)益身先士卒，在實驗室準備了一張床，從此吃睡在那里，每天十幾個小時不間斷地試驗。歷經(jīng)三千多次的嘗試，他們終于迎來“雨后彩虹”：在硅上成功生長出氮化鎵發(fā)光薄膜，達到實用水平。

“下一步，要產(chǎn)業(yè)化！新時代，我們沒有理由再點洋半導(dǎo)體燈！”初嘗喜悅成果的江風(fēng)益，這樣憧憬著未來。

“理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感”。憶及晶能光電在硅襯底LED產(chǎn)業(yè)化路上幾次瀕臨生死邊緣的過往，如今發(fā)色已漸變?yōu)椤澳棠袒摇钡耐趺舾锌?，“當年的選擇全憑一腔熱血，若早早預(yù)料到會有此后的種種，可能會后怕?！?/p>

的確，硅襯底LED技術(shù)實驗室階段取得成功，只是萬里長征走完了第一步。正如現(xiàn)任晶能光電首席技術(shù)官的趙漢民所說，研發(fā)成功和實現(xiàn)量產(chǎn)是兩個完全不同的階段，在研發(fā)階段，100個樣品中有一個合格就算成功了，但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，你要保證100個都是合格的，這中間要跨越的鴻溝難以想象。

以硅襯底加工為例。“在實驗室階段可行，到試生產(chǎn)階段卻‘失靈’了?！壁w漢民告訴記者，實驗室階段，由于產(chǎn)品數(shù)量少用于硅襯底加工的液體濃度與時間都很容易掌控，而到了試生產(chǎn)階段，一方面浸泡的硅襯底數(shù)量多，另一方面市場上沒有與硅襯底相匹配的設(shè)備，這就導(dǎo)致產(chǎn)品良率大幅下降?！耙婚_始，良率甚至只有5%，比在實驗室的時候糟糕多了，看到結(jié)果的那一刻，整個人都傻掉了?！蓖趺艋貞浾f?！伴_弓沒有回頭箭”，只能買回相近設(shè)備，摸索著一點點改造?！斑@一改就是一年多！”

拿下一場技術(shù)攻堅戰(zhàn)不難?？芍谱鞴枰r底LED芯片有350多道工步，每一道工步都會遇到形形色色的問題。比如，氮化鎵發(fā)光薄膜厚度雖僅有幾微米（頭發(fā)絲直徑約為50-100微米）卻由幾十層不同結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如何保證每一層完好？如何提升硅襯底LED芯片的光效？如何減少位錯保證出光率？......第一個“吃螃蟹”，一系列層出不窮的技術(shù)“堅冰”擋在晶能光電人面前。

這時，有人說，“硅襯底LED技術(shù)成功無望”；更有甚者，斷言“晶能光電是一個‘燙手山芋’，給它投的錢將會打水漂”。不過，“自始至終我們都憋著一口氣，立志要爭口氣，把硅襯底技術(shù)做好?！焙途芄怆娨黄鸪砷L的年青工程師封波深有感觸地說。

沒有可供參考的相關(guān)文獻，沒有可資借鑒的經(jīng)驗，每走一步都要“摸著石頭過河”，每年因試錯交出的“學(xué)費”高達幾千萬元，最困難時公司背負3個多億的貸款重擔，但公司高管帶頭拿低工資也保證每年研發(fā)投入都在8000萬元左右......堅定開辟一條LED新路，晶能光電咬牙堅持。

艱難困苦，玉汝于成。2009年實現(xiàn)硅襯底小功率LED芯片量產(chǎn)，2012年6月實現(xiàn)大功率LED芯片規(guī)?；慨a(chǎn)。硅襯底LED技術(shù)征途上，晶能光電走在了前面。

隨著硅襯底藍光和白光LED產(chǎn)品和工藝的成熟，晶能光電又開始醞釀新的計劃，“開發(fā)硅襯底紫光LED技術(shù)，以及基于硅襯底氮化鎵基的功率型器件等新技術(shù)。”

在與硅襯底LED技術(shù)平行的另一條歷史軸線上，其產(chǎn)業(yè)化之旅也愈走愈順：2012年全行業(yè)企業(yè)設(shè)備開機率不足60%，晶能光電滿產(chǎn)滿銷，首次實現(xiàn)贏虧平衡；2013年銷售收入3300萬美元；2014年銷售收入6099萬美元。

LED寒冬中逆流勇上，晶能光電的秘密武器是領(lǐng)先的硅襯底LED技術(shù)——

從器件角度看，硅襯底散熱性能好、通過剝離消除應(yīng)力，因而產(chǎn)品抗靜電性能好、壽命長、可承受的電流密度高，更適用于大功率LED照明；

從襯底剝離方式看角度看，在制備薄膜型芯片時，硅襯底成本遠低于藍寶石襯底，由于采用化學(xué)腐蝕的方法來剝離，在效率和良率上，都高于采用激光剝離的藍寶石襯底產(chǎn)品，從而得到高質(zhì)量、低成本的垂直結(jié)構(gòu)芯片；

從大規(guī)模生產(chǎn)的角度看，未來技術(shù)進步可以很好地將硅襯底大尺寸的優(yōu)勢和集成電路行業(yè)成熟的自動化設(shè)備和產(chǎn)線結(jié)合，大大提升現(xiàn)有LED行業(yè)的產(chǎn)業(yè)成熟度，可快速形成規(guī)模化效應(yīng)，使LED照明綜合成本進一步大幅下降；

從產(chǎn)品特點角度看，采用單面出光的垂直結(jié)構(gòu)芯片結(jié)合白光芯片工藝，可以獲得方向性好、光品質(zhì)好的芯片，也讓硅襯底LED在小角度射燈、汽車照明、手機閃光燈等高品質(zhì)和方向性照明領(lǐng)域的應(yīng)用更具優(yōu)勢。

這具體意味著什么？王敏舉例，車前大燈照明主要以大功率LED為主，車燈設(shè)計要求在有限的空間，解決光密度高、方向性好等要求；同時還要盡可能降低整燈的能耗。硅襯底LED單面高密度出光的優(yōu)勢變得非常明顯。

正因如此，如今在摩托車燈、電動車燈、移動照明等國內(nèi)高端照明應(yīng)用市場，晶能光電已占據(jù)較大份額，其照明產(chǎn)品亦出口至美國、巴西、日本、意大利等國。

美國經(jīng)濟咨詢機構(gòu)IHS預(yù)計，“到2020年硅襯底LED市場占有率將達到40%?！?/strong>

“現(xiàn)在，LED行業(yè)的大趨勢是向大尺寸襯底方向走?！苯L(fēng)益解釋，目前碳化硅襯底的售價依然高高在上；藍寶石襯底尺寸越大，單位面積價格不降反升，6吋藍寶石襯底價格大約是240美元；相比之下，6吋甚至吋8的硅襯底，都在50美元以下?！翱梢灶A(yù)知，如果硅襯底實現(xiàn)更大的尺寸，那么成本優(yōu)勢將更為明顯?！彼硎尽?/p>

“蛋糕看起來很美”，但對晶能光電而言，壓力依然存在。近幾年，隨著晶能光電對硅襯底LED技術(shù)量產(chǎn)可行性的證實，一度持懷疑態(tài)度的多家國際大廠相繼轉(zhuǎn)身研發(fā)硅襯底LED技術(shù)，并進展迅速?！岸?jīng)過成千上百家企業(yè)的技術(shù)優(yōu)化，藍寶石LED技術(shù)已相當成熟，在一段時期內(nèi)仍將是主流路線。”王敏分析。

不過，硅襯底LED技術(shù)現(xiàn)在正處于追風(fēng)少年時期，他們有信心讓硅襯底LED照亮世界！

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