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【观察】硅衬底LED技术研发艰辛路真实记录

2016-01-13 09:53
野明月
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  2015年度国家技术发明一等奖花落“硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管项目”,一张巴掌大的圆形硅片立即使中国成为世界上继日美之后第三个掌握蓝光LED自主知识产权技术的国家、唯一实现硅衬底LED芯片量产的国家。“中国芯”,国人为之骄傲,世界为之震动。而获奖的背后,是一群勇于创新的青年人,是一颗颗跳动的中国心,是一个坚持了19年的“发光梦”。

  独辟蹊径——踏上寻找“中国芯”之路

  一切都要从一个发光梦说起。

  火把照亮了人类文明的萌芽,日光灯推动技术时代前行,半导体发光二极管(简称LED)则是绿色照明时代的改革。LED灯节能环保优势明显,各国纷纷争相推广。当美国、日本技术路线纷纷取得突破时,一位三十岁出头的青年人也开始向往中国的发光梦。他,就是硅衬底LED技术领衔者、南昌大学副校长江风益。而这个发光梦,一做就是19年。

  “当我还在中国科学院长春物理研究所读研究生时,就有一个发光梦。”江风益表示,那时,他就希望自己工作以后从事发光学技术和产业方面的研究开发工作。1996年,在南昌大学一间40平方米的小实验室里,江风益开始跟踪日本的发光技术做中国的LED。

  “要做就做真正的‘中国芯’!”2003年,江风益决定不追随国外技术的影子,而是另辟蹊径寻找“中国芯”,即用硅衬底“生长”高光效GAN(氮化镓)材料从而制备蓝光LED。可是消息一传开,国内外业界几乎立马就给这条路线判了“死刑”。

  江风益表示,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、能导电等优点。目前,6寸蓝宝石衬底价格大约是240美元,并且市场上缺乏6寸的蓝宝石衬底,而6寸甚至8寸的硅衬底,价格均在50美元以下。虽然硅衬底成本低廉,但由于硅和GAN这两种材料存在巨大的晶格失配和热失配导致的外延膜龟裂、晶体质量差以及衬底不透明导致出光效率低等问题,长期以来,学术界视之为LED的“童话故事”。简而言之,硅与GAN存在着巨大的性能差异,要二者相辅相成属于世界性难题,几乎无成功的可能!

  迎难而上——各个击破攻克技术壁垒

  明知山有虎偏向虎山行!“国外那么多大公司都没能做出来,就凭你们这个小团队哪能行?”“太难了,还是别浪费精力了,放弃吧!”“发达的城市都做不出来,江西欠发达的省能做出来吗?”……面对学术界的种种非议,时年39岁的江风益却认为,从不可能中找出可能、于个性中遴选出共性,是科学探索的必经之路。“其实我们开始做的时候,美国IBM公司30年前就做了,但他们没有做成,就放弃了。就是在这种背景下,我们决定去闯出一片自己的天地。”江风益说。

  在风险面前,江风益和他的研发团队抱定了要做出“中国芯”的“妄图”,人才不足,就多投入精力。他带着铺盖一头扎进实验室中,贷款60万元购买实验设备和材料,开始了艰苦的科研之旅。饿了,叫盒饭在实验室里吃;累了,在实验室的小床上打个盹。为了实验,研发团队的成员们有时候一个礼拜都不出门。长期的高强度工作,让江风益患上了严重的腰椎间盘突出,步行不到50米就得蹲下。但病痛并没有将江风益打垮,经过手术治疗后他又继续奋战前行。

  2003年12月的一个冬日,实验室内硅衬底LED发出了一丝微光,当其他人觉得不够亮时,江风益却感到很兴奋。星星之火可以燎原,这一丝微光点燃了研发团队希望的曙光。功夫不负有心人,五千多次实验,夜以继日,2004年研发团队终于在国际上率先攻克了这一世界难题。“当时国内外几十家在做,我们比较幸运,从跟踪到跨越,很快就突破了里面的关键技术,突破了人家30多年没有解决的问题。”江风益教授说。从2003年开始,经过一年多技术攻关,硅衬底LED取得突破性进展,开发了硅衬底氮化镓基LED材料与器件技术。

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