解密國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)：硅襯底LED技術(shù)

　　一哄而上又遇經(jīng)濟(jì)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(biāo)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(shí)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(lán)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(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，一舉摘下國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)的桂冠。

　　“雞蛋也要碰石頭”

　　　“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(qiáng)”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(lán)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(lán)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?！眹?63專家組如是評價(jià)......

　　一個(gè)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(lán)光LED芯片的制備講起。

　　一般，我們所見到的白光LED，由藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色螢光材料而來。此前，藍(lán)光LED芯片主要有兩種技術(shù)路線，一種是藍(lán)寶石襯底，一種是碳化硅襯底上。其中，藍(lán)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(jiǎng)，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(jiǎng)。

　　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(biāo)，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(diǎn)的理想解決方法。

　　“難!”這是LED專家們對在硅襯底上制備藍(lán)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(dāng)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(tuán)隊(duì)反其向而行——瞄準(zhǔn)硅襯底LED技術(shù)，奮力一搏!

　　并非一時(shí)頭腦發(fā)熱。選擇硅作襯底前，江風(fēng)益團(tuán)隊(duì)已跟蹤研究藍(lán)寶石襯底技術(shù)長達(dá)10年。但他們深知藍(lán)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(dòng)化制造方面也有一定的局限;且因藍(lán)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(lán)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(diǎn)，被認(rèn)為是最具前途的生長氮化鎵藍(lán)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(yùn)，彼時(shí)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?！拔覈敲逼鋵?shí)的LED產(chǎn)品制造大國，國內(nèi)LED企業(yè)均采用藍(lán)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。”談起初衷，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(shí)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(jī)會(huì)?！?/p>

　　矢志不渝。2004年研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)，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(shí)印證，硅襯底LED壽命超過6萬小時(shí)，性能媲美國際大廠，成本最低!據(jù)計(jì)算，硅襯底、藍(lán)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。

　　“黑暗中的摸索”

　　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(shí)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(tuán)隊(duì)，無論是資金實(shí)力還是研發(fā)實(shí)力方面的懸殊都不是一點(diǎn)點(diǎn)。“這項(xiàng)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(dāng)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(dòng)力，最好的回答是把事情做好，用事實(shí)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(dá)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(dá)19%，這就使得外延膜中產(chǎn)生過高位錯(cuò)密度進(jìn)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(yán)重腰椎間盤突出椎管狹窄癥的江風(fēng)益身先士卒，在實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備了一張床，從此吃睡在那里，每天十幾個(gè)小時(shí)不間斷地試驗(yàn)。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(dá)到實(shí)用水平。

　　“下一步，要產(chǎn)業(yè)化!新時(shí)代，我們沒有理由再點(diǎn)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(shí)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?，“?dāng)年的選擇全憑一腔熱血，若早早預(yù)料到會(huì)有此后的種種，可能會(huì)后怕?！?/p>

　　的確，硅襯底LED技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)是兩個(gè)完全不同的階段，在研發(fā)階段，100個(gè)樣品中有一個(gè)合格就算成功了，但實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，你要保證100個(gè)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(shí)驗(yàn)室階段可行，到試生產(chǎn)階段卻‘失靈’了。”趙漢民告訴記者，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)室的時(shí)候糟糕多了，看到結(jié)果的那一刻，整個(gè)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(diǎn)點(diǎn)改造?！斑@一改就是一年多!”