愛(ài)華網(wǎng)????在下一代照明設(shè)備LED的核心技術(shù)競(jìng)賽中，江西的晶能公司在硅襯底上取得了突破。
文 RiceMi
占到人類生命50%的黑暗成了晶能光電（江西）有限公司董事長(zhǎng)江風(fēng)益眼中的龐大市場(chǎng)。“人類的照明經(jīng)歷了火光、燭光（油燈）、白熾燈、熒光燈幾個(gè)階段，下一步就是半導(dǎo)體發(fā)光二極管（以下簡(jiǎn)稱LED）照明。”江風(fēng)益說(shuō)，他在2006年投產(chǎn)的硅襯底氮化鎵藍(lán)色發(fā)光二極管技術(shù)正悄悄地推動(dòng)著一場(chǎng)照明革命。 “以后家里的燈將會(huì)都用LED替換掉，現(xiàn)在60瓦白熾燈的亮度只需要1瓦的電就可以做到。如果把我國(guó)照明燈全部換成發(fā)光二極管產(chǎn)品，節(jié)約的電相當(dāng)于兩座三峽電站的發(fā)電總量?！本艿娘L(fēng)險(xiǎn)投資商、金沙江創(chuàng)業(yè)投資董事總經(jīng)理伍伸俊說(shuō)到LED照明的前景頗為激動(dòng)。 與傳統(tǒng)的熒光燈用電子束轟擊汞蒸汽再通過(guò)熒光粉發(fā)光的原理不同，半導(dǎo)體發(fā)光二極管憑借的是電流刺激下的固體發(fā)光。除了省電以外，這種照明方式還有更多的優(yōu)點(diǎn)，“這與熒光燈比有很大的好處，穩(wěn)定、耐用，壽命長(zhǎng)達(dá)20年。而且由于LED外形小，可以隨處安置，根本看不出來(lái)，將來(lái)也許‘燈’這種東西會(huì)漸漸消失。”江風(fēng)益指著實(shí)驗(yàn)室里一塊玻璃杯口大小直徑2寸的硅晶片笑著說(shuō)，在這塊硅晶片上集成了4萬(wàn)個(gè)LED。 “在未來(lái)的10年里，半導(dǎo)體照明是全球最大的新興產(chǎn)業(yè)?！弊鳛轱L(fēng)險(xiǎn)投資者的伍伸俊，更看重的是晶能的商業(yè)前景。在號(hào)稱科技界諾貝爾獎(jiǎng)的“千年技術(shù)獎(jiǎng)”僅有的兩次頒發(fā)中，其中一個(gè)頒給了發(fā)明互聯(lián)網(wǎng)的英國(guó)物理學(xué)家蒂姆·伯納斯·李，而另一個(gè)就是發(fā)明了藍(lán)色發(fā)光二極管的日本人中村修二。藍(lán)色發(fā)光二極管如此備受關(guān)注主要是因?yàn)橛纱酥圃斐龅陌坠舛O管可以替代日光燈、白熾燈用于照明。根據(jù)《2006-2008年中國(guó)半導(dǎo)體照明（LED）市場(chǎng)調(diào)查與投資咨詢研究報(bào)告》，科技部也已批準(zhǔn)上海、大連、南昌、廈門、深圳5地作為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)化基地。按這5大產(chǎn)業(yè)基地預(yù)計(jì)目標(biāo)，估計(jì)到2010年，整個(gè)中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過(guò)1,500億元。而被列入了能源法案的美國(guó)“下一代照明計(jì)劃”，計(jì)劃從2000－2010年，投資5億美元，用LED取代55%的白熾燈和熒光燈，預(yù)計(jì)到2025年，固態(tài)照明光源的使用將使照明用電減少一半，每年節(jié)電額達(dá)350億美元，形成一個(gè)每年產(chǎn)值超過(guò)500億美元的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)。 “在紅黃藍(lán)綠青藍(lán)紫七種可見(jiàn)光中，藍(lán)色和紅色、綠色是三原色光，三者等量搭配產(chǎn)生白光，不同比例的搭配產(chǎn)生了其他顏色的光，缺了藍(lán)色不僅很多東西無(wú)法顯示，而且不能形成照明用的白光?！蓖瑫r(shí)擔(dān)任江西南昌大學(xué)發(fā)光材料與器件研究中心主任的江風(fēng)益解釋說(shuō)。 藍(lán)色發(fā)光二極管的工作原理是通過(guò)電極通電刺激氮化鎵，由氮化鎵發(fā)光，但是這層氮化鎵層厚度不過(guò)4微米，內(nèi)部還要細(xì)分成30多層，其中核心的量子阱厚度更是只有兩到三納米。發(fā)光層很是脆弱，如果沒(méi)有支撐很容易碎掉，因此需要一層襯底作為支撐，同時(shí)成為發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生長(zhǎng)發(fā)光材料的基礎(chǔ)，這襯底的結(jié)構(gòu)也就成了藍(lán)光LED的關(guān)鍵技術(shù)。自1993年藍(lán)光二極管問(wèn)世以來(lái)，主要的襯底技術(shù)有兩種，一是日本人中村修二發(fā)明的藍(lán)寶石襯底，還有美國(guó)擁有的碳化硅襯底技術(shù)。但這兩種技術(shù)都造價(jià)高昂，而且工藝復(fù)雜，這決定了“他們永遠(yuǎn)不可能做到太大規(guī)模?！蔽樯炜≌f(shuō)，這個(gè)浸淫于中國(guó)高科技風(fēng)險(xiǎn)投資多年的老手將晶能看作是自己投資的典型，“晶能具有真正顛覆性的世界級(jí)技術(shù)，能夠切入到一個(gè)龐大的世界市場(chǎng)?！?p> 江風(fēng)益的獨(dú)到之處是成功地將地殼中除了氧以外含量最豐富的元素——硅，做成了氮化鎵的襯底。無(wú)疑這要便宜的多，“成本差額非常大，但是我們希望能夠賣到和藍(lán)寶石襯底一樣的價(jià)格?！蔽樯炜∧腿藢の兜匦χf(shuō)。此外，由于硅技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中已經(jīng)相當(dāng)成熟，對(duì)其屬性更為了解，其應(yīng)用具有更多優(yōu)勢(shì)。 用硅作為襯底的技術(shù)路線并非沒(méi)有人走過(guò)，但是挑戰(zhàn)很大。其中關(guān)鍵問(wèn)題就是硅與氮化鎵的膨脹系數(shù)差別很大，熱失配達(dá)到56%。氮化鎵的材料是在千度高溫下由襯底經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成，而一旦降溫，氮化鎵的收縮速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于硅，造成器件龜裂，勉強(qiáng)制成的器件也會(huì)產(chǎn)生漏電等質(zhì)量問(wèn)題。“我們通過(guò)獨(dú)有的過(guò)渡層技術(shù)解決了這個(gè)國(guó)際難題?！苯L(fēng)益很是自豪，僅在此問(wèn)題上他就取得了10多項(xiàng)發(fā)明專利。
1963年出生的江風(fēng)益21歲就從吉林大學(xué)物理系畢業(yè)，在江西工業(yè)大學(xué)（南昌大學(xué)的前身）執(zhí)教三年后在中科院長(zhǎng)春物理研究所獲取碩士學(xué)位，然后便一直在南昌大學(xué)執(zhí)教。從1997年起，他開(kāi)始跟蹤藍(lán)光二極管技術(shù)，起步頗為艱難?！爱?dāng)時(shí)學(xué)校一下子拿出了60萬(wàn)來(lái)支持我，雖然對(duì)于研究來(lái)說(shuō)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，但是畢竟是很大的一筆錢?！睂W(xué)校的看重對(duì)農(nóng)村出身的江風(fēng)益壓力很大。 與大多數(shù)只專心研究的科學(xué)家不同，江風(fēng)益將自己的研究方向定位在能夠產(chǎn)業(yè)化的高科技產(chǎn)品，如果不能產(chǎn)業(yè)化，寧愿不做。因此，他走了一條頗為另類的研究路線：跳過(guò)實(shí)驗(yàn)室小樣，直接進(jìn)行產(chǎn)品中試?！斑@樣可以節(jié)約產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室到工廠之間的時(shí)間和投入，但是這樣的一次性投入更大，研究也更困難?！苯L(fēng)益說(shuō)。錢不夠買儀器，他開(kāi)始自己組裝，用60萬(wàn)元組裝了一臺(tái)MOCVD（金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積）設(shè)備和幾臺(tái)測(cè)試設(shè)備，而現(xiàn)在在他的實(shí)驗(yàn)室中一臺(tái)MOCVD設(shè)備就幾千萬(wàn)元。 “10年的時(shí)間中前7年基本是跟蹤、仿制，后3年才是真正走自己的路。”就像愛(ài)迪生發(fā)明電燈一樣，在數(shù)千次的實(shí)驗(yàn)之后，換了記不清多少種的工藝技術(shù)，江風(fēng)益終于在2004年做出了自己的硅襯底藍(lán)光二極管?！艾F(xiàn)在我們的理論和水平，還達(dá)不到照明，但是差距已經(jīng)不大了，在未來(lái)的3到5年時(shí)間里可望實(shí)現(xiàn)?！苯L(fēng)益說(shuō)。晶能現(xiàn)階段已經(jīng)可以生產(chǎn)出20毫安下16毫瓦的LED，照明效果介于白熾燈和日光燈之間。單位時(shí)間光源向空間發(fā)出的使人產(chǎn)生光感覺(jué)的能量稱為“光通量”，其單位就是“流明”。而光源所發(fā)出的光通量與它所消耗的電功率之比，即“流明瓦”，表示光源的發(fā)光效率?！鞍谉霟舻陌l(fā)光效率是15流明瓦，日光燈是80流明瓦，現(xiàn)在我們的亮度是白熾燈的三倍多一些?！苯L(fēng)益解釋說(shuō)，而這樣一個(gè)LED芯片的體積不過(guò)針尖大小。 但是這樣的發(fā)光效率已經(jīng)足以適用于數(shù)碼管、戶內(nèi)顯示和裝飾燈具等應(yīng)用，這也成了現(xiàn)階段晶能的主要市場(chǎng)?！艾F(xiàn)在我們的主要精力還是投入在技術(shù)研發(fā)，我們現(xiàn)在的產(chǎn)能已經(jīng)可以達(dá)到2億粒，但是我們的實(shí)際產(chǎn)量遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)。而且不接大單只接小單，給各種廠商試用，其中很多是國(guó)際著名的大企業(yè)?！苯L(fēng)益對(duì)自己還沒(méi)有完全開(kāi)始拓展的市場(chǎng)保密。而根據(jù)中信建投證券有限公司報(bào)告，2006年全球高亮度LED的應(yīng)用中，手機(jī)應(yīng)用占到48%，汽車電子應(yīng)用占15%，顯示屏占14%，信號(hào)燈占2%，照明占5%，總量是42億美元。據(jù)其估計(jì)，到2010年我國(guó)的LED產(chǎn)值將達(dá)千億。在這其中背光應(yīng)用將是未來(lái)除照明之外最大的產(chǎn)業(yè)，而晶能具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?！昂退{(lán)寶石以及碳化硅技術(shù)的雙電級(jí)工藝相比，我們的硅襯底技術(shù)是單電極，只有一根電線，所以制造過(guò)程更簡(jiǎn)單，加工成器件更容易，可靠性也更高。同時(shí)由于單位面積可承受的電流高，也可以降低器件的LED使用個(gè)數(shù)，提高效率?！痹诰艹?wù)副總裁王敏看來(lái)，除了成本更低外，自己的硅襯底技術(shù)應(yīng)用于背光好處多多。 當(dāng)然，盯著這個(gè)龐大的市場(chǎng)并不只是晶能公司。2006年11月，日本的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手施美半導(dǎo)體公司（ShimeiSemiconductor）也宣稱解決了氮化鎵外延層與硅襯底之間巨大的晶格失配和熱失配問(wèn)題，并宣布將從2007年4月起開(kāi)始量產(chǎn)以硅為襯底的氮化鎵發(fā)光二極管，月產(chǎn)能達(dá)到300萬(wàn)顆晶粒。晶能公司正在加快前進(jìn)的步伐，“我們現(xiàn)在已經(jīng)完成1,000萬(wàn)美元和4,200萬(wàn)美元的兩輪風(fēng)險(xiǎn)融資。”江風(fēng)益很是自信。而占地500畝的新廠區(qū)已經(jīng)在今年2月份開(kāi)工，大概將于明年2月正式投產(chǎn)。“屆時(shí)每年產(chǎn)量將達(dá)到50億粒，產(chǎn)值可達(dá)2億美元?！蔽樯炜≌f(shuō)。
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