國家技術發明一等獎硅襯底LED技術研發紀實
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' x9 l" k( |+ Vtvb now,tvbnow,bttvb晶能光電（江西）有限公司CEO王敏（左）與研發團隊在車間工作。4 [3 @0 X6 E: E- D' T- L0 _
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晶能光電（江西）有限公司LED晶片自動分選車間。tvb now,tvbnow,bttvb* V' Z! O/ k5 A0 x! r, ^1 v$ N
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- C/ b+ e1 p( G ctvb now,tvbnow,bttvb一哄而上又遇經濟增速下滑——剛剛過去的2015年，曾經風光無限的LED行業一如前兩年般慘烈。一年間，LED企業數量減少了20%，大約4000家企業退出市場。
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然而，接二連三的“倒閉潮”背後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新路。4 s2 o/ s" q! u2 w! n
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“我們的目標是成就世界級半導體照明公司，成為中國人的驕傲！”晶能光電CEO王敏底氣十足。; Y6 T+ n# B1 p/ F% Y
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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智慧財産權的、目前全球領先的硅襯底LED技術——硅襯底高光效GaN基藍色發光二極體。1月8日，這一技術摘下國家技術發明一等獎的桂冠。公仔箱論壇/ A( s8 q0 j9 o2 M F7 _
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反向而行
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清楚LED發展歷史的人會知道，硅襯底LED技術改寫了半導體照明歷史。“用普通的設備，更低成本的工藝生産LED”，美國麻省理工大學《科技創業》雜誌2011年評選的“全球最具創新力企業50強”中，晶能光電憑此與Apple、IBM等公司一同上榜。* i, ^- Q. D5 l' q6 @
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“這一技術改變了日本公司壟斷藍寶石襯底和美國公司壟斷碳化矽襯底半導體照明技術的局面，形成了藍寶石、碳化矽、硅基半導體照明技術方案‘三足鼎立’的局面。”國家“863”專家組如是評價。TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。 u* @5 G2 H5 I9 x
w) [ n5 {" `- [9 ]9 e$ [: u 一個名不見經傳的LED企業緣何獲此殊榮，引起業界內外的廣泛關注。事情還要從藍光LED晶片的製備講起。
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/ I& _2 ^3 S: x1 B. Q* W, ~: ctvb now,tvbnow,bttvb 一般我們所見到的白光LED，由藍光LED晶片激發黃色熒光材料而來。此前，藍光LED晶片主要有兩種技術路線，一種是藍寶石襯底，一種是碳化矽襯底。而在硅襯底上製備高光效LED晶片，一直是學界夢寐以求的目標，世界各國研究者歷經40餘年的鑽研，卻遲遲沒有找到克服關鍵技術難點的理想解決方法。公仔箱論壇' _$ {; t' V9 N" ~* [. H
% F: d9 D; s; g0 m6 a* B6 F “難！”這是LED專家們對在硅襯底上製備藍光LED晶片的第一反應！難在哪兒？製備LED晶片先要在襯底上長出氮化鎵發光薄膜。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品質的氮化鎵發光薄膜。
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硅襯底這一技術路線已經被業界宣判“死刑”，但2003年，南昌大學江風益教授領銜的研發團隊反其向而行，開始研發硅襯底LED技術。江風益團隊並非一時頭腦發熱。選擇硅作襯底前，他們已跟蹤研究藍寶石襯底技術長達10年。儘管藍寶石襯底是目前市場的主流技術路線，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。碳化矽的性能有目共睹，可走的是“貴族路線”，不適宜大規模普及。# l+ v( E K' b5 B
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“硅作為一種襯底材料，與藍寶石和碳化矽相比，具有低成本、大尺寸、高品質、可導電等優點，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於選擇這種性能好、可靠性高且成本低廉的技術路線。”江風益信心滿滿。5.39.217.77:8898* H4 r5 M$ X) ^3 H8 c2 _
7 B8 w: g- f6 L/ M3 m3 a公仔箱論壇 彼時同江風益並肩作戰的王敏等人亦看好這條技術路線。“我國是名副其實的LED産品製造大國，國內LED企業均採用的藍寶石技術路線中佈滿了LED巨頭埋下的專利‘地雷’。過去10年，許多LED企業曾為此吞下苦果。”王敏説。在王敏看來，DVD受制于他國的教訓警醒我們，國外LED大廠“放水養魚”的功夫已爐火純青，LED專利大戰隨時有一觸即發的可能，“硅襯底技術路線是唯一有可能衝破國外專利封鎖的機會”。
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! c, C8 d2 c: a5 d5.39.217.77:8898 矢志不渝。2004年研發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。2005年實驗室出樣品，2006年創辦晶能光電，2007年中試成功，2008年小批量試生産，2009年實現量産。多年艱苦卓絕的攻關研發，晶能光電的硅襯底LED技術日臻成熟。TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。4 N8 k' ^% Q: z) X5 t
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更重要的是，以此技術為核心，晶能光電已申請（含授權）國際國內專利330多項，在LED外延生長、晶片製造、封裝及應用等領域均有佈局，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。公仔箱論壇, l7 {+ X. Q/ E( K4 l
& z z0 ?& p6 `* r9 j3 p* Ctvb now,tvbnow,bttvb 跨越鴻溝
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看著今天晶能光電硅襯底LED技術的成功，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路線，曾被斥為異想天開。
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質疑並非毫無來由。同40多年前曾經研究硅襯底的IBM及馬德伯格大學等知名企業和院校相比，這支最初僅有幾人的研發團隊，無論資金實力還是研發實力都有著巨大懸殊。從選擇硅襯底技術路線的那天起，唱衰聲便不絕於耳。5.39.217.77:8898$ G9 s8 t. K- m8 W/ B/ X( m" c
4 d2 w& [ O5 q h8 @' v5.39.217.77:8898 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。他説，有質疑很正常，“質疑是另外一種動力，最好的回答是把事情做好，用事實説話”。7 ]. M- F" W1 z& f" x
9 f* [9 X& I# `' x4 h* Q 于硅襯底LED技術而言，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症的江風益身先士卒，在實驗室準備了一張床，吃睡在那裏，每天十幾個小時不間斷地試驗。經過3000多次的嘗試，他們終於迎來“雨後彩虹”：在硅上成功生長出氮化鎵發光薄膜，達到實用水準。公仔箱論壇* Y/ V: ?6 L* x2 T2 K
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“下一步，要産業化！新時代，我們沒有理由再點洋半導體燈！”初嘗成果喜悅的江風益，這樣憧憬著未來。
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“理想很豐滿，現實很骨感”。憶及晶能光電在硅襯底LED産業化路上幾次瀕臨生死邊緣的過往，如今發色已漸白的王敏感慨，“當年的選擇全憑一腔熱血，若早早預料到會有此後的種種，可能會畏懼”。
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的確，硅襯底LED技術實驗室階段取得成功，只是萬里長征走完了第一步。正如現任晶能光電首席技術官趙漢民所説，研發成功和實現量産是兩個完全不同的階段，在研發階段，100個樣品中有1個合格就算成功了，但實現産業化，你要保證100個都是合格的，這中間要跨越的鴻溝難以想像。
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以硅襯底加工為例。“在實驗室階段可行，到試生産階段卻‘失靈’了。”趙漢民告訴記者，實驗室階段，由於産品數量少，用於硅襯底加工的液體濃度與時間都很容易掌控，而到了試生産階段，一方面浸泡的硅襯底數量多，另一方面市場上沒有與硅襯底相匹配的設備，這就導致産品良率大幅下降。“一開始，良率只有5%，比在實驗室的時候糟糕多了，看到結果的那一刻，整個人都傻了。”王敏回憶説。“開弓沒有回頭箭”，只能買回相近設備，摸索著一點點改造，一改就是一年多。
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拿下一場技術攻堅戰不難。可製作硅襯底LED晶片有350多道工序，每一道工序都會遇到形形色色的問題。比如，氮化鎵發光薄膜厚度雖僅有幾微米（頭髮絲直徑約為50至100微米），卻由幾十層不同結構構成，如何保證每一層完好？如何提升硅襯底LED晶片的光效？如何減少位錯保證出光率？……層出不窮的技術難題擋在晶能光電人面前。) V2 p9 a4 [8 v3 u! v5 a, }
4 ~0 H n$ _2 o9 j% E ] 這時，有人説，“硅襯底LED技術成功無望”；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，把硅襯底技術做好。”和晶能光電一起成長的青年工程師封波深有感觸地説。5.39.217.77:8898/ s6 A5 n3 l& a) D, J1 q
2 u5 U3 M! D' D, ]* G9 n% S. ^1 y 沒有可供參考的相關文獻，沒有可以借鑒的經驗，每走一步都要“摸著石頭過河”，每年因試錯交出的“學費”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投入都在8000萬元左右……晶能光電咬牙堅持。TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。; o, i5 N3 z7 \% S
# v( z1 `, M9 ~2 [3 E6 y公仔箱論壇 艱難困苦，玉汝于成。2009年實現硅襯底小功率LED晶片量産，2012年6月實現大功率LED晶片規模化量産。硅襯底LED技術征途上，晶能光電走在了前面。
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# N$ b9 I6 |" u& o' H 隨著硅襯底藍光和白光LED産品和工藝的成熟，晶能光電又開始醞釀新的計劃，“開發硅襯底紫光LED技術，以及基於硅襯底氮化鎵基的功率型器件等新技術”。
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. _ J0 e- E) J) T3 UTVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。 逆流勇進TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。. U5 d8 Z t" C) O) H( |3 l# A
' ]! Q8 W; h0 V# b ^5.39.217.77:8898 在與硅襯底LED技術平行的另一條時間軸線上，其産業化之路也愈走愈順：2012年全行業企業設備開機率不足60%，晶能光電滿産滿銷，首次實現盈虧平衡；2013年銷售收入3300萬美元；2014年銷售收入6099萬美元。" G# a# s; r4 m0 m3 o
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LED寒冬中逆流勇進，晶能光電的秘密武器是其領先的硅襯底LED技術——
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, ^1 R2 _6 z! M3 S' s' ~. i3 l$ n5.39.217.77:8898 從器件角度看，硅襯底散熱性能好、通過剝離消除應力，産品抗靜電性能好、壽命長、可承受的電流密度高，更適用於大功率LED照明；
9 ^0 y) A. q& k) |TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。公仔箱論壇! J! g( @* a! f3 ^2 G: f
從襯底剝離方式角度看，在製備薄膜型晶片時，硅襯底成本遠低於藍寶石襯底，由於採用化學腐蝕的方法來剝離，在效率和良率上，都高於採用鐳射剝離的藍寶石襯底産品，從而得到高品質、低成本的垂直結構晶片；+ n7 D& B b! I/ a' ^' h: Y
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從大規模生産的角度看，未來技術進步可以很好地將硅襯底大尺寸的優勢和積體電路行業成熟的自動化設備及産線結合，大大提升現有LED行業的産業成熟度，可快速形成規模化效應，使LED照明綜合成本進一步大幅下降；
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從産品特點角度看，採用單面出光的垂直結構晶片結合白光晶片工藝，可以獲得方向性好、光品質好的晶片，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和方向性照明領域的應用更具優勢。
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( c5 x5 i. _4 a" C, Q) V公仔箱論壇 這具體意味著什麼？王敏舉例，車前大燈照明主要以大功率LED為主，車燈設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勢在這方面顯得非常明顯。5.39.217.77:8898& `% J8 w/ V) ]7 f3 O+ M
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正因如此，如今在摩托車燈、電動車燈、移動照明等國內高端照明應用市場，晶能光電已佔據較大份額，其照明産品也走出國門，出口至美國、巴西、日本、義大利等國。美國經濟諮詢機構IHS預計，“到2020年硅襯底LED市場佔有率將達到40%”。5 t9 f* k' b$ `! ~/ }
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“現在，LED行業的大趨勢是向大尺寸襯底方向走。”江風益解釋，目前碳化矽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。“可以預知，如果硅襯底實現更大的尺寸，那麼成本優勢將更為明顯。”他表示。
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“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技術量産可行性的證實，一度持懷疑態度的多家國際大廠相繼轉身研發硅襯底LED技術，進展迅速。“經過成百上千家企業的技術優化，藍寶石LED技術已相當成熟，在一段時期內仍將是主流路線。”王敏分析。
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$ |, T8 Z' p! E/ z x公仔箱論壇 不過，硅襯底LED技術現在正處於追風少年時期，他們有信心讓硅襯底LED照亮世界！ |
發表於 2016-1-9 03:56 PM
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