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硅衬底LED技术研发内幕起底:它凭什么能获得国家技术发明一等奖?

2016-01-09 05:54
瑾年Invader
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  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。

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