爱华网在下一代照明设备LED的核心技术竞赛中，江西的晶能公司在硅衬底上取得了突破。
文 RiceMi
占到人类生命50%的黑暗成了晶能光电（江西）有限公司董事长江风益眼中的庞大市场。“人类的照明经历了火光、烛光（油灯）、白炽灯、荧光灯几个阶段，下一步就是半导体发光二极管（以下简称LED）照明。”江风益说，他在2006年投产的硅衬底氮化镓蓝色发光二极管技术正悄悄地推动着一场照明革命。 “以后家里的灯将会都用LED替换掉，现在60瓦白炽灯的亮度只需要1瓦的电就可以做到。如果把我国照明灯全部换成发光二极管产品，节约的电相当于两座三峡电站的发电总量。”晶能的风险投资商、金沙江创业投资董事总经理伍伸俊说到LED照明的前景颇为激动。 与传统的荧光灯用电子束轰击汞蒸汽再通过荧光粉发光的原理不同，半导体发光二极管凭借的是电流刺激下的固体发光。除了省电以外，这种照明方式还有更多的优点，“这与荧光灯比有很大的好处，稳定、耐用，寿命长达20年。而且由于LED外形小，可以随处安置，根本看不出来，将来也许‘灯’这种东西会渐渐消失。”江风益指着实验室里一块玻璃杯口大小直径2寸的硅晶片笑着说，在这块硅晶片上集成了4万个LED。 “在未来的10年里，半导体照明是全球最大的新兴产业。”作为风险投资者的伍伸俊，更看重的是晶能的商业前景。在号称科技界诺贝尔奖的“千年技术奖”仅有的两次颁发中，其中一个颁给了发明互联网的英国物理学家蒂姆·伯纳斯·李，而另一个就是发明了蓝色发光二极管的日本人中村修二。蓝色发光二极管如此备受关注主要是因为由此制造出的白光二极管可以替代日光灯、白炽灯用于照明。根据《2006-2008年中国半导体照明（LED）市场调查与投资咨询研究报告》，科技部也已批准上海、大连、南昌、厦门、深圳5地作为LED产业化基地。按这5大产业基地预计目标，估计到2010年，整个中国LED产业产值将超过1,500亿元。而被列入了能源法案的美国“下一代照明计划”，计划从2000－2010年，投资5亿美元，用LED取代55%的白炽灯和荧光灯，预计到2025年，固态照明光源的使用将使照明用电减少一半，每年节电额达350亿美元，形成一个每年产值超过500亿美元的半导体照明产业市场。 “在红黄蓝绿青蓝紫七种可见光中，蓝色和红色、绿色是三原色光，三者等量搭配产生白光，不同比例的搭配产生了其他颜色的光，缺了蓝色不仅很多东西无法显示，而且不能形成照明用的白光。”同时担任江西南昌大学发光材料与器件研究中心主任的江风益解释说。 蓝色发光二极管的工作原理是通过电极通电刺激氮化镓，由氮化镓发光，但是这层氮化镓层厚度不过4微米，内部还要细分成30多层，其中核心的量子阱厚度更是只有两到三纳米。发光层很是脆弱，如果没有支撑很容易碎掉，因此需要一层衬底作为支撑，同时成为发生化学反应生长发光材料的基础，这衬底的结构也就成了蓝光LED的关键技术。自1993年蓝光二极管问世以来，主要的衬底技术有两种，一是日本人中村修二发明的蓝宝石衬底，还有美国拥有的碳化硅衬底技术。但这两种技术都造价高昂，而且工艺复杂，这决定了“他们永远不可能做到太大规模。”伍伸俊说，这个浸淫于中国高科技风险投资多年的老手将晶能看作是自己投资的典型，“晶能具有真正颠覆性的世界级技术，能够切入到一个庞大的世界市场。” 江风益的独到之处是成功地将地壳中除了氧以外含量最丰富的元素——硅，做成了氮化镓的衬底。无疑这要便宜的多，“成本差额非常大，但是我们希望能够卖到和蓝宝石衬底一样的价格。”伍伸俊耐人寻味地笑着说。此外，由于硅技术在半导体工业中已经相当成熟，对其属性更为了解，其应用具有更多优势。 用硅作为衬底的技术路线并非没有人走过，但是挑战很大。其中关键问题就是硅与氮化镓的膨胀系数差别很大，热失配达到56%。氮化镓的材料是在千度高温下由衬底经化学反应生成，而一旦降温，氮化镓的收缩速度远远快于硅，造成器件龟裂，勉强制成的器件也会产生漏电等质量问题。“我们通过独有的过渡层技术解决了这个国际难题。”江风益很是自豪，仅在此问题上他就取得了10多项发明专利。
1963年出生的江风益21岁就从吉林大学物理系毕业，在江西工业大学（南昌大学的前身）执教三年后在中科院长春物理研究所获取硕士学位，然后便一直在南昌大学执教。从1997年起，他开始跟踪蓝光二极管技术，起步颇为艰难。“当时学校一下子拿出了60万来支持我，虽然对于研究来说还是远远不够，但是毕竟是很大的一笔钱。”学校的看重对农村出身的江风益压力很大。 与大多数只专心研究的科学家不同，江风益将自己的研究方向定位在能够产业化的高科技产品，如果不能产业化，宁愿不做。因此，他走了一条颇为另类的研究路线：跳过实验室小样，直接进行产品中试。“这样可以节约产品从实验室到工厂之间的时间和投入，但是这样的一次性投入更大，研究也更困难。”江风益说。钱不够买仪器，他开始自己组装，用60万元组装了一台MOCVD（金属有机气相化学沉积）设备和几台测试设备，而现在在他的实验室中一台MOCVD设备就几千万元。 “10年的时间中前7年基本是跟踪、仿制，后3年才是真正走自己的路。”就像爱迪生发明电灯一样，在数千次的实验之后，换了记不清多少种的工艺技术，江风益终于在2004年做出了自己的硅衬底蓝光二极管。“现在我们的理论和水平，还达不到照明，但是差距已经不大了，在未来的3到5年时间里可望实现。”江风益说。晶能现阶段已经可以生产出20毫安下16毫瓦的LED，照明效果介于白炽灯和日光灯之间。单位时间光源向空间发出的使人产生光感觉的能量称为“光通量”，其单位就是“流明”。而光源所发出的光通量与它所消耗的电功率之比，即“流明瓦”，表示光源的发光效率。“白炽灯的发光效率是15流明瓦，日光灯是80流明瓦，现在我们的亮度是白炽灯的三倍多一些。”江风益解释说，而这样一个LED芯片的体积不过针尖大小。 但是这样的发光效率已经足以适用于数码管、户内显示和装饰灯具等应用，这也成了现阶段晶能的主要市场。“现在我们的主要精力还是投入在技术研发，我们现在的产能已经可以达到2亿粒，但是我们的实际产量远低于这个数。而且不接大单只接小单，给各种厂商试用，其中很多是国际著名的大企业。”江风益对自己还没有完全开始拓展的市场保密。而根据中信建投证券有限公司报告，2006年全球高亮度LED的应用中，手机应用占到48%，汽车电子应用占15%，显示屏占14%，信号灯占2%，照明占5%，总量是42亿美元。据其估计，到2010年我国的LED产值将达千亿。在这其中背光应用将是未来除照明之外最大的产业，而晶能具有独特的优势。“和蓝宝石以及碳化硅技术的双电级工艺相比，我们的硅衬底技术是单电极，只有一根电线，所以制造过程更简单，加工成器件更容易，可靠性也更高。同时由于单位面积可承受的电流高，也可以降低器件的LED使用个数，提高效率。”在晶能常务副总裁王敏看来，除了成本更低外，自己的硅衬底技术应用于背光好处多多。 当然，盯着这个庞大的市场并不只是晶能公司。2006年11月，日本的竞争对手施美半导体公司（ShimeiSemiconductor）也宣称解决了氮化镓外延层与硅衬底之间巨大的晶格失配和热失配问题，并宣布将从2007年4月起开始量产以硅为衬底的氮化镓发光二极管，月产能达到300万颗晶粒。晶能公司正在加快前进的步伐，“我们现在已经完成1,000万美元和4,200万美元的两轮风险融资。”江风益很是自信。而占地500亩的新厂区已经在今年2月份开工，大概将于明年2月正式投产。“届时每年产量将达到50亿粒，产值可达2亿美元。”伍伸俊说。
