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硅基发光“英雄谱” 中国技术有望重塑LED产业链

2016/3/9 10:13:36来源:本站原创 【字体:

导 读:“做科研,要吃得了苦,吃得起亏。”江风益教授在他简朴的办公室里多次对记者强调这句话。两个月前,这位有着侠客般名字的科研高手参加了在人民大会堂举办的中国科技发明规格最高的颁奖典礼,并载誉而归。
关 键 词:硅基 LED产业链

“做科研,要吃得了苦,吃得起亏。”江风益教授在他简朴的办公室里多次对记者强调这句话。两个月前,这位有着侠客般名字的科研高手参加了在人民大会堂举办的中国科技发明规格最高的颁奖典礼,并载誉而归。

与江风益一起获奖的还有他所在单位南昌大学同事刘军林、王立、熊传兵,以及晶能光电研发副总裁孙钱、CEO王敏等人。他们的杰作——“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”项目(下称硅衬底LED项目)拿下了2015年度唯一的国家科学技术奖技术发明一等奖,硅衬底LED项目由此声名鹊起。

然而光环幕后,藏着二十余载的艰辛、两代人的坚持。直到今天,江风益、孙钱和晶能光电都还在持续地升级硅衬底LED技术。

江风益:中国硅基发光之父

从1987年开始学习发光学,到2016年凭借“硅衬底LED项目”获得国家技术发明一等奖,江风益默默耕耘了半辈子才厚积薄发。即使如此,他日前在接受上证报专访时仍谦虚地表示,硅衬底LED还处于婴儿期,自己还将继续追寻“发光”的路并一直走下去,希望研究团队尽早实现无需荧光粉的100%LED照明。

硅衬底LED项目是否有望冲击国际大奖?对此问题,江风益回答得很纯粹,“我们搞科研从来不曾以获奖为目的,搞科研就是要踏踏实实做出服务人类、改善民生的技术成果,推动社会进步。”

邂逅“发光”

“让您大老远来一趟,真是辛苦了。”记者如约来到南昌大学材料研究所,江风益已经等候在一楼大厅。入座后记者环顾江的办公室,半旧的办公桌、两张简单的木质沙发椅,这就是大学校长的办公室?不过,陋室亦有不凡之物——一只功能强大的日光灯。

“江老师您这灯挺不错啊。”记者忍不住赞道。江风益笑道,“你适合做记者啊,这灯就是咱们工程中心用硅基发光技术做的呀,一根顶3-4根传统的日光灯,而且光线均匀、品质好;不仅我的办公室,研究所和工程中心都是用这灯。”话题就此展开,江风益的思绪也飘到他邂逅“发光”的那些岁月。

1963年,在江西余干的一个农家小院里,江风益呱呱落地。江风益自小聪慧好学,性格沉静。1980年他以优异成绩考取了吉林大学物理系原子核物理专业,成为该村第一个大学生。毕业后他放弃了到北京工作的机会,毅然选择了回到出生的那片红土地,在江西工业大学(该校后与江西大学合并为南昌大学)任教,并在1987年考取了中科院长春物理研究所硕士研究生,攻读发光学专业。

“当时国内发光专业有两个地方,一个是中科院长春物理研究所,一个是中国科技大学,发光研究人员很少。”江风益回忆道,硕士毕业后,面对读博、留长春物理所、回到江西工业大学的抉择,江风益再次选择回到故乡、回到江西工业大学。“我没有什么野心,在大学从事教学工作,再做做研究,我就觉得很满足啦。”

就这样,江风益于1990年再次回到江西工业大学,开始了他的“发光”事业。1993年,在江风益提议下,南昌大学(此时江西工业大学已并入南昌大学)贷款60万元筹建了材料科学研究所,江风益开始了发光领域的基础研究,并在1995年申请到国家自然科学基金。2011年,经科技部批准,南昌大学组建了国家硅基LED工程技术研究中心。

“其实真正的技术研发工作是从1997年开始的,在当时的江西省高科技协调会上我校提出做蓝光材料,最终省委省政府拍板给南昌大学240万的资助开展这项研究。”江风益说起最初的资金来源,其中20万是科技厅资助、20万是发改委拨款,其余的200万是南昌大学向省财政的借款。有了经费支持,江风益着手研发工作,开始跟踪蓝宝石衬底GaN蓝光LED技术。

砥砺前行

事非经过不知难。


“说艰苦创业一点也不为过,当时的条件连小米加步枪都不能算吧,资料匮乏、设备简陋、团队主要成员调离、各种质疑,还好坚持了下来,也算做出了一些有意义的工作。”回忆曾经的艰难困苦,江风益依然面带微笑、语气淡然。

“最初的研究只是跟踪蓝宝石衬底,但也很困难,可参考的资料很少,也不清楚日本人用的是什么设备、工艺,没有钱也买不到合适的设备就自己动手组装。”江风益回忆道,“举个例子,设备最核心的是反应管,当时日本人的论文显示他们采用双气流反应管,但我们完全不知道怎么制造这个设备,不知道设备结构和生长工艺嘛,就凭自己的理解,用最简单的反应管来进行探索实验。”自己动手组装设备的传统保留到了现在,直到今天,工程中心的很多设备还是自己研发组装的。

经费匮乏、研究工作进展不理想和各种质疑,都有可能成为压垮这个项目的最后稻草。“当时我们团队人非常少,只有3、5人,研究的过程漫长而痛苦,在最后的关键阶段主要成员却因家庭原因而离开。就是这时候,有专家跟江西省政府建议不要再支持这个项目,他认为我们水平不行,根本做不出来。其实这个专家不是研究发光的,也可能只是一个无心的建议,但这差点扼杀了我的整个研究生涯。”为了坚持这个项目,江风益当时就辞去了副院长的职务,全力扎到实验室。最终,这个蓝光项目以紫光研究成果通过了863专家验收。

跟踪蓝宝石3年多后,深圳一家企业找到江风益团队合作开发蓝光LED。有了企业的资金支持,产品很快做到市场准入水平。鉴于成果超出合同要求,该企业主动将技术转让价款从400万提升至450万。

做到有所为有所不为是江风益成功的性格因素。跟上述企业合作结束后,江风益再次回到学校,回到实验室,并在多方尝试后将目光锁定在硅衬底LED。“跟企业的合作让我受益良多,那时候,从技术发展、产品定位、产业化上都有了一些不同的想法,想做一些更新的东西。”江风益说,“从2002年起,我就开始尝试做新的发光材料,最早尝试的是氧化锌材料,但在取得了一定的研究进展后,鉴于其P型氧化锌和发光层结构的难以形成、材料稳定性不高,我认为这个材料不太适合做发光器件,秉承有所为有所不为的性格,就果断转向了硅基氮化镓。”

5000次试验

在追踪蓝宝石衬底技术7年后,江风益于2003年将目光对准了硅衬底LED技术。

彼时,蓝宝石衬底和碳化硅衬底已经把持了LED全行业市场。“蓝宝石和碳化硅核心专利全在日美等国手里,如果我国LED产业仍沿着这两条技术路线发展,势必会因技术壁垒而在市场竞争中处于劣势,产业难以可持续发展。”江风益表示。

此时,硅衬底LED已被绝大多数国内外同行判处“死刑”。鉴于蓝宝石衬底和碳化硅衬底各自的不足,在硅衬底上制备高光效GaN基LED成为学界梦寐以求的目标;但是由于硅和氮化镓巨大的晶格失配和热失配导致外延膜龟裂、晶体质量差,衬底的不透光导致出光率较低等问题长期不能解决,硅衬底LED逐渐被学界认为是无法完成的工作。

“当时也知道这是个世界难题,研究难度很大,但研究实践下来,我们觉得还是有希望的。”江风益对自己的研究团队称赞有加,“我的博士生在实验做到第六次时就已经激发出那么一点点蓝光,虽然很微弱,但已经让我们很兴奋,发出蓝光就有戏嘛。”江风益清楚记得那天是2003年12月28日。在次日的年终总结表彰大会上,江风益授予这个博士生“工程中心自然科学三等奖”。

南昌大学对该项研究的鼎力支持也让江风益更有信心,彼时学校从教育部给予的4500万的“教育振兴行动计划”款中拿出1945万扶持硅衬底LED研究。

江风益采用的是硅基图形化技术,把整个衬底平面分割刻成一个个“芯片大小的方块”,每个方块之间外延材料互不相连,大大减少了热失配产生的张应力,外延膜就不会因为变形而产生龟裂。

最终,实验室的那一点幽弱蓝光形成了星火,开始了燎原之势,这项技术成功了,并量产了一些小功率的器件。

但这其中的艰辛也许只有身处其中才能体会。从设计到实验、到中试、再到小规模量产,江风益的团队进行了5000多次试验;2004年,江风益团队开发出硅衬底GaN基LED材料与器件技术,2005年完成了实验室样品,2006年依托硅衬底LED技术成立晶能光电,2007年中试成功,2008年开始小批量试生产,2009年实现硅衬底小功率LED芯片量产。

2016年1月8日,2015年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重举行,江西省推荐的“硅衬底LED项目”荣获国家技术发明一等奖,江风益作为项目第一完成人代表团队上台接受了颁奖。对此殊荣,江风益表示,这是整个团队60多人的集体贡献,感谢科技部、工信部、江西省政府、南昌市政府、南昌高新区和南昌大学等各方的大力支持。

“从1987年我到中科院长春物理研究所攻读发光学专业硕士研究生算起,我在这个领域已经29个年头了,回顾科研工作经历,可以用井冈山24字精神概述之:坚定信念、艰苦奋斗、实事求是、敢创新路、依靠群众、勇于胜利。”江风益总结科研半生,颇为感慨。采访过程中,江风益多次提到要感谢各级政府的支持和团队的坚持,“做科研要吃得了苦、吃得了亏,还要脸皮厚,不要太在乎别人看法,坚持自己。”当记者问及硅衬底LED项目是否有望冲击国际大奖时,江风益表示“搞科研从来不曾以获奖为目的,搞科研就是要踏踏实实做出服务人类、改善民生的技术成果,推动社会进步。”

而谈及LED产业和个人后续发展,江风益再一次强调团队和有所为有所不为,“从技术角度看LED还处于婴儿期,谁能突破技术瓶颈,实现100%LED照明,谁就能引导下一代半导体照明技术;而氮化镓材料在功率器件方面更具有广阔的前景。我还是继续有所为有所不为,专注发光吧,希望研究团队在不远的将来实现无需荧光粉的100%LED照明。”

孙钱:

外延片“升级换代”之玉成


在晶能光电硅衬底小功率LED芯片量产后不久,研究再一次遇到困难,在硅衬底大功率LED芯片上,硅基图形化技术开始显得“力不从心”,外延膜由于变形导致龟裂的问题再次出现,芯片制造技术不够稳定、合格率也比较低。

最困难的时候,一批留学归来的热血青年加入了晶能光电,以新的思路完成了硅衬底LED技术的“升级换代”,晶能光电率先于全球实现了硅衬底LED技术大规模产业化。孙钱就是这批留学归来青年中的一位。

“学霸”之路

初次见到孙钱,这个80后的大男孩没有记者想象的意气风发,颦笑间略显腼腆。

孙钱,2002年从中科大提前一年毕业,获材料物理理学学士和计算机科学与技术工程学士双学位,并荣获中科大最高奖郭沫若校长奖,同年以全系第一名的成绩免试推荐到中科院半导体所读研;2005年硕士毕业后进入耶鲁大学深造,仅用四年获得博士学位、并荣获耶鲁工学院最高奖Becton奖;2011年入选中组部首批国家“青年千人计划”,加入中科院苏州纳米所技术与纳米仿生研究所(下称中科院苏州纳米所)和晶能光电;2012年入选江苏省“双创人才”计划和苏州工业园区“金鸡湖双百人才”,2015年荣获国家优秀青年科学基金资助,2016年荣获国家技术发明一等奖;现任中科院苏州纳米所研究员、博导,科技部高新司“第三代半导体材料”项目总体专家组成员,兼任晶能光电研发副总裁。翻看孙钱的简历,妥妥一部“学霸”成长记。

回忆往事,这个来自南通的农家孩子表示,最初踏进半导体大门就是为了“好找工作”。2002年本科毕业时,因为家境比较贫穷,孙钱只能深埋出国进修梦,选择被保送到中科院读研。“选择半导体所就是因为这专业毕业后好找工作,赶紧挣点钱,补贴家用。”孙钱大笑着说。孙钱在中科院半导体所开始跟随导师杨辉研究员进行氮化镓薄膜的研究,这也为其后来踏入硅衬底LED埋下了伏笔。

一次同学聚会再次重燃了孙钱的出国梦。 “每个月有2000多美元奖学金啊,在国内全职工作也挣不到这么多嘛,留学还能挣个学历,开拓视野。”孙钱决定准备出国,1个月考过了GRE,两周考过托福。“如果本科时就出国肯定不会去耶鲁,但当时申请学校时发现美国TOP10的大学只有耶鲁在做氮化镓,也就只能去耶鲁了。”

在导师的要求下,孙钱没有参加硕士毕业典礼,提前3个月到了耶鲁开始实验室工作。

小伙扛大梁

谈及到硅衬底氮化镓基LED时,骨子里的“狂妄”开始写在这个腼腆男孩的脸上。

“在美国,氮化镓已经开始走下坡路了。”初到美国,孙钱就被博士生导师兜头泼了一盆冷水。因为晶格失配和热失配等问题长期无法解决,学术界已经开始放弃硅衬底,涌向蓝宝石衬底。

但孙钱却决定挑战这个难题。通过系统调研、查阅资料,孙钱提出了通过应力控制来解决“龟裂”的方案。但这个方案并不被导师看好,“这不可能,别人做了那么久都没有成功,你也不可能解决(龟裂)这个问题。”但孙钱颇为偏执,继续实验,并在原理和机理上都获得了很大的进展,方案获得初步验证。

“命运早已安排,你只需要做好自己。”这句话用在孙钱身上再合适不过,2009年博士毕业时赶上美国金融危机,但当时LED产业一片欣欣向荣,孙钱在权衡之下投身到这个蓬勃的产业。在飞利浦LumiLEDs和普瑞光电之间,孙钱选择了后者,于2010年出任该公司外延研发科学家,负责大尺寸硅衬底GaN基蓝光LED的研发。

凭借在耶鲁的良好底子和拼劲,孙钱在普瑞光电的硅衬底LED项目进展神速。不到半年,孙钱攻克了第一个难关,第五批外延片流片时就在硅衬底上实现了135流明/瓦的LED。全公司开始对硅衬底LED热情高涨,项目也从只有他一人主攻变成全公司人人参与,数据反馈周期则从最初的2-3个月缩短到3-5天;又不到半年后,孙钱及团队在8英寸硅衬底上实现了160流明/瓦的高光效GaN基LED。普瑞光电用这项技术做了一只白炽灯泡拿去与日本东芝谈判,最终获得逾1亿美元的技术转让费。

持续升级技术

事业渐入佳境,孙钱却转身回国,于2011年加入了晶能光电。“晶能光电董事长伍伸俊与我在硅谷谈了三次,我就决定回来加盟,任职研发副总裁。”谈及回国时,孙钱笑着说,“出国了我才发现我还真的挺爱国的。回来也是出于另外一个私心,作为独生子女,我不想父母随我受离乡之苦,这对他们不公平。”

回国加入晶能光电后,孙钱再次对技术进行创新升级、多次迭代,成功研制出高光效的大尺寸硅衬底GaN基LED外延片。“采用AlN/Al1-xGaxN等应力控制层来彻底解决裂纹问题,实现高质量的硅上氮化镓薄膜和高亮度LED外延片。”孙钱介绍,“AlN/Al1-xGaxN应力控制层是有效利用GaN与Al(Ga)N之间的晶格失配在材料的高温生长过程中故意积累足够高的压应力,并以此来抵消材料生长完毕后降温过程中因热膨胀系数的失配而产生的张应力,从而避免裂纹的产生,而且生成的外延片很平整。”凭借该项技术,晶能光电成功实现了2英寸和4英寸硅衬底氮化镓大功率LED芯片的量产。

孙钱等人的贡献在于:构建了完整的技术链,实现了硅基氮化镓从材料外延生长到LED芯片工艺、结构制备、封装应用的技术和产品升级换代,使得材料质量、器件性能及可靠性、产品合格率及市场开拓都有了大幅度提升。2012年11月,国际半导体照明联盟(ISA)发布“全球半导体照明2012年度新闻”,晶能光电作为 “全球首家量产硅衬底大功率LED芯片的公司”入选,排名第二,这正是国内外LED领域对硅衬底氮化镓基大功率LED的研发及其产业化成果的高度肯定。

从懵懵懂懂踏进半导体的大门,到干一行爱一行,孙钱十余年来一直从事宽禁带半导体GaN材料生长及器件制备研究。对此,孙钱表示,“我儿时的梦想是成为一名杰出的科学家,在逐梦的征程上,无论顺境逆境,不忘初心。”

“改变了目前日本日亚公司垄断蓝宝石衬底和美国CREE公司垄断碳化硅衬底LED照明芯片技术的局面,形成了蓝宝石、碳化硅、硅衬底半导体照明技术方案三足鼎立的局面。”这是十年前国家863专家组对硅衬底LED项目作出的评价。江风益和孙钱在接受采访时也都强调,基于各自的优势应用领域不同,硅衬底肯定不会取代另外两条路线,将来的业态是三种技术路线并存。

从技术创新及产业化角度而言,有产业经济学家在接受采访时表示,“该项技术的更重大意义在于:从高校创新到与产业资本合力,硅衬底LED项目不仅推动了技术链的创新,而且还同时进行了产业链的构建,这是一条非常漂亮的创新链条,或许是产学研的有效创新模式。”江风益一开始就突破常规,将研发与产业化紧密结合在了一起,2005年实验室产品完成后,江风益就带领团队于2006年成立了晶能光电,并引入金沙江创投等产业资本,开启了一边出产品、一边研发和改进性能的产业化征程。


产业鼎足之势将立,老少两代人的格局也不曾止步于荣誉,其各自开创的硅衬底技术路线也在不断发展、升级。“科研成果是思想和技术的多次碰撞结果,一个思想出来了,实施中如果技术没有优化就可能得出此路不通的结论,而任何一个技术不匹配都可能导致失败,好的思想+好的技术才能成功。”江风益在接受采访时感慨:“硅衬底LED还处于婴儿期,团队后续的研究也证实,其优化后的硅基图形化技术非常适合大功率LED外延生长与芯片制造,已经实现了大功率器件的实验室量产,即将进行产业化;接下来还将研发绿光、黄光LED,未来的目标是不需要荧光粉激发,到2020年直接实现100%硅衬底LED发光。”


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