【中国经济网】点亮中国"芯" 当惊世界殊——硅衬底LED研发纪实

　　一哄而上又遇经济下滑，刚刚过去的2015年，曾经风光无限的LED行业一如前两年般惨烈。一年间，LED企业数量减少了20%，约4000家企业退出市场。 　　

　　然而，接二连三的“倒闭潮”背后还有一匹“黑马”让人眼前一亮。在南昌，晶能光电（江西）有限公司不仅年销售额一路飘红，而且趟出了一条技术新路。 　　

　　“我们的目标是成就世界级半导体照明公司，成为中国人的骄傲！”CEO王敏博士底气十足。工欲善其事必先利其器。王敏的底气源自他们掌握的具有自主知识产权的、目前全球领先的硅衬底LED技术（硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管）。而这一技术也在今年国家科学技术奖励大会上，一举摘下国家技术发明一等奖的桂冠。 　　

　 　“鸡蛋也要碰石头”

　　不就是一项硅衬底LED技术吗？但如果你清楚LED发展历史，或许会由衷发出一声感叹。因为，这是一项改写了半导体照明历史的颠覆性新技术。 　　

　　“用普通的设备，更低成本的工艺生产LED”，美国麻省理工《科技创业》杂志2011年评选的“全球最具创新力企业50强”中，晶能光电凭此与Appple、IBM等公司一同上榜；

　　“这一技术改变了日本公司垄断蓝宝石衬底和美国公司垄断碳化硅衬底半导体照明技术的局面，形成了蓝宝石、碳化硅、硅基半导体照明技术方案‘三足鼎立’的局面。”国家863专家组如是评价...... 　　

　　一个名不见经传的LED企业缘何获此殊荣，引起业界内外的广泛关注？事情还要从蓝光LED芯片的制备讲起。 　　

　　一般，我们所见到的白光LED，由蓝光LED芯片激发黄色萤光材料而来。此前，蓝光LED芯片主要有两种技术路线，一种是蓝宝石衬底，一种是碳化硅衬底上。其中，蓝宝石衬底技术路线的三位发明者荣获2014年诺贝尔物理学奖，碳化硅衬底技术路线发明者则获得美国总统技术发明奖。 　　

　　而在硅衬底上制备高光效LED芯片，虽说一直是学界梦寐以求的目标，世界各国研究者历经四十余年的钻研，却迟迟没有找到克服关键技术难点的理想解决方法。

　　“难！”这是LED专家们对在硅衬底上制备蓝光LED芯片的第一反应！难在哪儿？制备LED芯片先要在衬底上长出氮化镓发光薄膜。可问题是，因硅和氮化镓材料的热失配和晶格失配，人们长期无法得到高质量的氮化镓发光薄膜。如此一来，硅衬底LED芯片制备自然无从谈起。 　　

　　“鸡蛋也要碰石头”。当硅衬底这一技术路线被业界宣判“死刑”，2003年以南昌大学江风益教授领衔的研发团队反其向而行——瞄准硅衬底LED技术，奋力一搏！ 　　

　　并非一时头脑发热。选择硅作衬底前，江风益团队已跟踪研究蓝宝石衬底技术长达10年。但他们深知蓝宝石衬底尽管是目前市场的主流技术路线，但受材料所限，很难做到8—12吋等大尺寸外延，在大规模自动化制造方面也有一定的局限；且因蓝宝石散热性能差，又难以剥离衬底，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“贵族路线”，成本高昂，不适宜大规模普及。 　　

　　“硅作为一种衬底材料，与蓝宝石和碳化硅相比，具有低成本、大尺寸、高质量、可导电等优点，被认为是最具前途的生长氮化镓蓝光LED的衬底材料，未来照明市场必将趋向于选择这种性能好可靠性高且成本低廉的技术路线。”江风益信心满满。 　　

　　也属幸运，彼时同江风益并肩作战的王敏等人亦十分看好这条技术路线。“我国是名副其实的LED产品制造大国，国内LED企业均采用蓝宝石技术路线，其中布满了LED巨头精心埋下的专利地雷。过去10年，许多LED企业曾为此吞下苦果。”谈起初衷，低沉的话语中是王敏沉甸甸的责任感。在王敏看来，DVD受制于他国的教训警醒我们，国外LED大厂“放水养鱼”的功夫已炉火纯青，LED专利大战随时有一触即发的可能，“硅衬底技术路线是唯一有有可能冲破国外专利封锁的机会。” 　　

　　矢志不渝。2004年研发团队在国际上率先攻克硅衬底氮化镓基LED材料与器件技术。2005年实验室出样品，2006年创办晶能光电，2007年中试成功，2008年小批量试生产，2009年量产......多年艰苦卓绝的攻关研发，晶能光电的硅衬底LED技术日臻成熟。 　　

　　更重要的是，以此技术为核心，晶能光电已申请（含授权）国际国内专利330多项，在LED外延生长、芯片制造、封装及应用等领域均有布局，成功避开了众多国外LED公司的专利封锁。而且事实印证，硅衬底LED寿命超过6万小时，性能媲美国际大厂，成本最低！据计算，硅衬底、蓝宝石衬底和碳化硅衬底制作薄膜型LED芯片的制造成本比为1：1.3：3.6。 　　

　　 “黑暗中的摸索” 　　

　　看着今天晶能光电硅衬底LED技术的成功，很多人艳羡不已。但鲜有人知的是，彼时他们选择硅衬底技术路线，被斥为异想天开。 　　

　　质疑并非毫无来由。同40多年前曾经研究硅衬底的IBM及马德伯格大学等知名院校相比，这支最初仅有几人的研发团队，无论是资金实力还是研发实力方面的悬殊都不是一点点。“这项技术，国外都没有突破，你们凭什么能够成功？”“用不了多久，硅衬底技术将‘胎死腹中’”。从选择硅衬底技术路线的那天起，类似的唱衰声便不绝于耳。 　

　　回首当年，王敏坦陈那是一段“在黑暗中摸索”的历史。不过，面对纷涌而来的冷嘲热讽，他淡然一笑——不反击亦不回避。他说，有质疑很正常，“质疑是另外一种动力，最好的回答是把事情做好，用事实说话。” 　　

　　于硅衬底LED技术而言，最大的“拦路虎”是硅和氮化镓材料的热失配和晶格失配：硅和氮化镓之间热膨胀系数差异高达57%，硅上氮化镓薄膜材料在1000多度生长后骤然降到室温的过程中，受到巨大的张应力从而发生龟裂，无法满足制作器件的基本需求；硅和氮化镓之间晶格失配则高达19%，这就使得外延膜中产生过高位错密度进而导致晶体质量差，无法获得高质量LED。 　　

　　如何攻克这一世界级难题？患有严重腰椎间盘突出椎管狭窄症的江风益身先士卒，在实验室准备了一张床，从此吃睡在那里，每天十几个小时不间断地试验。历经三千多次的尝试，他们终于迎来“雨后彩虹”：在硅上成功生长出氮化镓发光薄膜，达到实用水平。 　　

　　“下一步，要产业化！新时代，我们没有理由再点洋半导体灯！”初尝喜悦成果的江风益，这样憧憬着未来。 　　

　　“理想很丰满，现实很骨感”。忆及晶能光电在硅衬底LED产业化路上几次濒临生死边缘的过往，如今发色已渐变为“奶奶灰”的王敏感慨，“当年的选择全凭一腔热血，若早早预料到会有此后的种种，可能会后怕。” 　　

　　的确，硅衬底LED技术实验室阶段取得成功，只是万里长征走完了第一步。正如现任晶能光电首席技术官的赵汉民所说，研发成功和实现量产是两个完全不同的阶段，在研发阶段，100个样品中有一个合格就算成功了，但实现产业化，你要保证100个都是合格的，这中间要跨越的鸿沟难以想象。 　　

　　以硅衬底加工为例。“在实验室阶段可行，到试生产阶段却‘失灵’了。”赵汉民告诉记者，实验室阶段，由于产品数量少用于硅衬底加工的液体浓度与时间都很容易掌控，而到了试生产阶段，一方面浸泡的硅衬底数量多，另一方面市场上没有与硅衬底相匹配的设备，这就导致产品良率大幅下降。“一开始，良率甚至只有5%，比在实验室的时候糟糕多了，看到结果的那一刻，整个人都傻掉了。”王敏回忆说。“开弓没有回头箭”，只能买回相近设备，摸索着一点点改造。“这一改就是一年多！” 　　

　　拿下一场技术攻坚战不难。可制作硅衬底LED芯片有350多道工步，每一道工步都会遇到形形色色的问题。比如，氮化镓发光薄膜厚度虽仅有几微米（头发丝直径约为50-100微米）却由几十层不同结构构成，如何保证每一层完好？如何提升硅衬底LED芯片的光效？如何减少位错保证出光率？......第一个“吃螃蟹”，一系列层出不穷的技术“坚冰”挡在晶能光电人面前。 　　

　　这时，有人说，“硅衬底LED技术成功无望”；更有甚者，断言“晶能光电是一个‘烫手山芋’，给它投的钱将会打水漂”。不过，“自始至终我们都憋着一口气，立志要争口气，把硅衬底技术做好。”和晶能光电一起成长的年青工程师封波深有感触地说。 　　

　　没有可供参考的相关文献，没有可资借鉴的经验，每走一步都要“摸着石头过河”，每年因试错交出的“学费”高达几千万元，最困难时公司背负3个多亿的贷款重担，但公司高管带头拿低工资也保证每年研发投入都在8000万元左右......坚定开辟一条LED新路，晶能光电咬牙坚持。 　　

　　艰难困苦，玉汝于成。2009年实现硅衬底小功率LED芯片量产，2012年6月实现大功率LED芯片规模化量产。硅衬底LED技术征途上，晶能光电走在了前面。 　　

　　随着硅衬底蓝光和白光LED产品和工艺的成熟，晶能光电又开始酝酿新的计划，“开发硅衬底紫光LED技术，以及基于硅衬底氮化镓基的功率型器件等新技术。” 　　

　 　“寒冬”中逆流勇上 　 　

　　在与硅衬底LED技术平行的另一条历史轴线上，其产业化之旅也愈走愈顺：2012年全行业企业设备开机率不足60%，晶能光电满产满销，首次实现赢亏平衡；2013年销售收入3300万美元；2014年销售收入6099万美元。 　　

　　LED寒冬中逆流勇上，晶能光电的秘密武器是领先的硅衬底LED技术—— 　　

　　从器件角度看，硅衬底散热性能好、通过剥离消除应力，因而产品抗静电性能好、寿命长、可承受的电流密度高，更适用于大功率LED照明； 　　

　　从衬底剥离方式看角度看，在制备薄膜型芯片时，硅衬底成本远低于蓝宝石衬底，由于采用化学腐蚀的方法来剥离，在效率和良率上，都高于采用激光剥离的蓝宝石衬底产品，从而得到高质量、低成本的垂直结构芯片； 　　

　　从大规模生产的角度看，未来技术进步可以很好地将硅衬底大尺寸的优势和集成电路行业成熟的自动化设备和产线结合，大大提升现有LED行业的产业成熟度，可快速形成规模化效应，使LED照明综合成本进一步大幅下降； 　　

　　从产品特点角度看，采用单面出光的垂直结构芯片结合白光芯片工艺，可以获得方向性好、光品质好的芯片，也让硅衬底LED在小角度射灯、汽车照明、手机闪光灯等高品质和方向性照明领域的应用更具优势。 　　

　　这具体意味着什么？王敏举例，车前大灯照明主要以大功率LED为主，车灯设计要求在有限的空间，解决光密度高、方向性好等要求；同时还要尽可能降低整灯的能耗。硅衬底LED单面高密度出光的优势变得非常明显。 　　

　　正因如此，如今在摩托车灯、电动车灯、移动照明等国内高端照明应用市场，晶能光电已占据较大份额，其照明产品亦出口至美国、巴西、日本、意大利等国。 　　美国经济咨询机构IHS预计，“到2020年硅衬底LED市场占有率将达到40%。” 　　

　　“现在，LED行业的大趋势是向大尺寸衬底方向走。”江风益解释，目前碳化硅衬底的售价依然高高在上；蓝宝石衬底尺寸越大，单位面积价格不降反升，6吋蓝宝石衬底价格大约是240美元；相比之下，6吋甚至吋8的硅衬底，都在50美元以下。“可以预知，如果硅衬底实现更大的尺寸，那么成本优势将更为明显。”他表示。 　　

　　“蛋糕看起来很美”，但对晶能光电而言，压力依然存在。近几年，随着晶能光电对硅衬底LED技术量产可行性的证实，一度持怀疑态度的多家国际大厂相继转身研发硅衬底LED技术，并进展迅速。“而经过成千上百家企业的技术优化，蓝宝石LED技术已相当成熟，在一段时期内仍将是主流路线。”王敏分析。 　　

　　不过，硅衬底LED技术现在正处于追风少年时期，他们有信心让硅衬底LED照亮世界！

　　链接：

　　 http://www.ce.cn/cysc/zgjd/kx/201601/08/t20160108_8158155.shtml