圖①晶能光電（江西）有限公司CEO王敏（左）與研發(fā)團隊在車間工作。

圖②晶能光電（江西）有限公司LED芯片自動分選車間。

本報記者 沈慧 攝

一哄而上又遇經(jīng)濟增速下滑——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%，大約4000家企業(yè)退出市場。

然而，接二連三的“倒閉潮”背后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，而且走出了一條技術(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！”晶能光電CEO王敏底氣十足。

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。1月8日，這一技術(shù)摘下國家技術(shù)發(fā)明一等獎的桂冠。

反向而行

清楚LED發(fā)展歷史的人會知道，硅襯底LED技術(shù)改寫了半導(dǎo)體照明歷史。“用普通的設(shè)備，更低成本的工藝生產(chǎn)LED”，美國麻省理工大學(xué)《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Apple、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?！眹摇?63”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)黃色熒光材料而來。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。而在硅襯底上制備高光效LED芯片，一直是學(xué)界夢寐以求的目標，世界各國研究者歷經(jīng)40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?？蓡栴}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。

硅襯底這一技術(shù)路線已經(jīng)被業(yè)界宣判“死刑”，但2003年，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，開始研發(fā)硅襯底LED技術(shù)。江風(fēng)益團隊并非一時頭腦發(fā)熱。選擇硅作襯底前，他們已跟蹤研究藍寶石襯底技術(shù)長達10年。盡管藍寶石襯底是目前市場的主流技術(shù)路線，但受材料所限，很難做到8英寸至12英寸等大尺寸外延，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”，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。

彼時同江風(fēng)益并肩作戰(zhàn)的王敏等人亦看好這條技術(shù)路線?！拔覈敲逼鋵嵉腖ED產(chǎn)品制造大國，國內(nèi)LED企業(yè)均采用的藍寶石技術(shù)路線中布滿了LED巨頭埋下的專利‘地雷’。過去10年，許多LED企業(yè)曾為此吞下苦果。”王敏說。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)路線是唯一有可能沖破國外專利封鎖的機會”。

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年實現(xiàn)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。事實證明，硅襯底LED壽命超過6萬小時，性能媲美國際大廠，且成本最低。

跨越鴻溝

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，曾被斥為異想天開。

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)等知名企業(yè)和院校相比，這支最初僅有幾人的研發(fā)團隊，無論資金實力還是研發(fā)實力都有著巨大懸殊。從選擇硅襯底技術(shù)路線的那天起，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”。

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，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，吃睡在那里，每天十幾個小時不間斷地試驗。經(jīng)過3000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！”初嘗成果喜悅的江風(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)色已漸白的王敏感慨，“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，可能會畏懼”。

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1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?！霸趯嶒炇译A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。“一開始，良率只有5%，比在實驗室的時候糟糕多了，看到結(jié)果的那一刻，整個人都傻了。”王敏回憶說?！伴_弓沒有回頭箭”，只能買回相近設(shè)備，摸索著一點點改造，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多道工序，每一道工序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至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？……層出不窮的技術(shù)難題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。”和晶能光電一起成長的青年工程師封波深有感觸地說。

沒有可供參考的相關(guān)文獻，沒有可以借鑒的經(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3億多元的貸款，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……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)”。

逆流勇進

在與硅襯底LED技術(shù)平行的另一條時間軸線上，其產(chǎn)業(yè)化之路也愈走愈順：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)盈虧平衡；2013年銷售收入3300萬美元；2014年銷售收入6099萬美元。

LED寒冬中逆流勇進，晶能光電的秘密武器是其領(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，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)備及產(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)?；?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)勢在這方面顯得非常明顯。

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)品也走出國門，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%”。

“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英寸藍寶石襯底價格大約是240美元；相比之下，6英寸甚至8英寸的硅襯底，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?/span>

“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)，進展迅速?！敖?jīng)過成百上千家企業(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！

來源：經(jīng)濟日報 （記者：賴永峰 沈 慧 劉 興）