點(diǎn)燃中國氮化物藍(lán)光LED火苗

張國義與半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)間的緣分還得從一種神奇的物質(zhì)“氮化鎵”材料說起。氮化鎵單晶體，人們目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)有天然GaN晶體材料存在，它必須在實(shí)驗(yàn)室才能獲得，作為一種直接帶隙材料，與AlN, InN共同構(gòu)成組分三角形，可以合成三元系的InGaN，AiGaN，和四元系的AlInGaN材料，可制成高效藍(lán)、綠光發(fā)光二極管和激光器，并可擴(kuò)展到白光，將替代人類沿用至今的照明系統(tǒng)。人類從20世紀(jì)30年代已發(fā)現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體具有這個(gè)性質(zhì)，但長期以來由于氮化鎵單晶制備特別困難，研發(fā)一直也未取得突破。

國內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)也對(duì)氮化鎵材料的研發(fā)給予了持續(xù)的關(guān)注與投入。中科院長春物理所早在20世紀(jì)70年代末，就用氣相外延的方法生長過氮化鎵，但未取得成功。直到20世紀(jì)80年代末，日本利用MOCVD設(shè)備及兩步生長法，獲得了P型材料，攻破了半導(dǎo)體照明材料的核心技術(shù)PN結(jié)，開啟了氮化鎵應(yīng)用在照明方面的大門。北大經(jīng)過調(diào)研后，預(yù)感到氮化鎵材料到了突破的時(shí)候，于是在1990年，張國義的課題組就開始在這個(gè)注定將改變照明歷史的氮化物材料的研究，成為國內(nèi)較早進(jìn)入這一研究領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)。而此時(shí)，國際上氮化鎵藍(lán)光LED也沒有研制成功。

課題啟動(dòng)之初，由于經(jīng)費(fèi)不足而困難重重。“在‘九五’期間，我們申請(qǐng)過863等項(xiàng)目的支持，盡管氮化鎵未來前景很好，由于技術(shù)太前沿，全世界氮化物發(fā)光二級(jí)管都沒有做出來，在這種背景下并沒有得到支持。”張國義說。1994年，日本日亞公司用氮化鎵材料做出藍(lán)光LED發(fā)光管的樣品。那年4月，張國義作為中國代表參加在日本舉辦的MOCVD國際會(huì)議，日本的一位教授送給了他兩只在當(dāng)時(shí)售價(jià)還很昂貴的氮化鎵藍(lán)光LED。消息傳回國內(nèi)立刻引起了國內(nèi)科技界的重視，張國義的課題組也因此在1994年得到了國家自然科學(xué)基金資助。

“然而這個(gè)事真正做起來還是非常難的，在藍(lán)寶石上面采用兩步生長法真正的獲得一個(gè)PN結(jié)在那個(gè)時(shí)候也不容易。氮化鎵材料的n-型背景載流子濃度很高，一做就做到10的20次方以上，如果要做成P型首先要把這些都補(bǔ)償?shù)?，多余的才能變成P型。直到1995年我們才真正獲得PN結(jié)材料。”張國義感慨道，課題組的研究成果當(dāng)年也發(fā)表在APL和《中國應(yīng)用物理快報(bào)》上，成為國內(nèi)第一個(gè)發(fā)表關(guān)于PN結(jié)氮化鎵發(fā)光管的文章，以后陸續(xù)研制出InGaN/GaN的雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED，多量子阱藍(lán)光LED。

張國義課題組的研究點(diǎn)燃了我國氮化物藍(lán)光LED的火苗，國內(nèi)也掀起了一股研究氮化物半導(dǎo)體的高潮，參與研發(fā)研究機(jī)構(gòu)也逐漸多起來，直接推動(dòng)了我國氮化物藍(lán)光LED及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

推進(jìn)科研成果產(chǎn)業(yè)化 成立北大藍(lán)光

1999年，經(jīng)過近十年的研究，張國義對(duì)氮化鎵藍(lán)光LED的工藝有了更為清楚的了解，開始醞釀產(chǎn)業(yè)化。“科研成果只有產(chǎn)業(yè)化，才能顯示其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，發(fā)揮出其真正的價(jià)值。”張國義說，氮化鎵藍(lán)光材料本身也具有重大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)價(jià)值和市場(chǎng)前景，它的發(fā)展將對(duì)半導(dǎo)體LED產(chǎn)業(yè)和一大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)有十分重要的帶動(dòng)作用。

當(dāng)時(shí)，張國義的研究成果得到了一個(gè)美國公司的青睞。“那個(gè)美國公司要請(qǐng)整個(gè)團(tuán)隊(duì)先到國外進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)，待能夠大批量生產(chǎn)的時(shí)候再轉(zhuǎn)移到國內(nèi)。”相對(duì)完美的方案及優(yōu)厚條件，讓一心想將技術(shù)推向市場(chǎng)的張國義感到心動(dòng)，他再次面臨著選擇。“后來為了不讓技術(shù)及人才流失，此條路徑并未得到北京大學(xué)的支持，于是他們開始尋求國內(nèi)的合作對(duì)象。”張國義表示。

1999年底，北大開始與黑龍江大正集團(tuán)談判準(zhǔn)備一起合資成立一個(gè)LED芯片生產(chǎn)公司。隨后，張江創(chuàng)投和張江高科也加入到投資者隊(duì)伍里。在幾方多次談判下，共同成立 “上海北大藍(lán)光科技有限公司”。北大藍(lán)光也成為我國首家專營氮化物高亮度發(fā)光材料和器件的公司，填補(bǔ)了我國這一領(lǐng)域的空白。

“2000年開始籌建建廠，基礎(chǔ)建設(shè)基本上都是北大幫助其做，盡管存在很多困難，但2001年北大藍(lán)光相關(guān)的進(jìn)口設(shè)備就開始安裝了。到2002年3月，北大藍(lán)光的藍(lán)光LED開始進(jìn)行小批量的生產(chǎn)。到2003年，北大藍(lán)光在管理、規(guī)模、人才引進(jìn)上都比較成熟了，我們才回到北大。”張國義說，“后來藍(lán)光經(jīng)過增資擴(kuò)股，根據(jù)國務(wù)院的規(guī)定要求才把‘北大’從公司名稱中去掉了。”

“如今，上海藍(lán)光經(jīng)過十多年的發(fā)展，上海本部資產(chǎn)已有幾個(gè)億，隨后彩虹集團(tuán)的加盟，為上海藍(lán)光的發(fā)展，提供了更為迅速的發(fā)展機(jī)會(huì)，而且在合肥投資新建了二十多個(gè)億的彩虹藍(lán)光生產(chǎn)線，規(guī)模和技術(shù)都有了很大提升。至今北大與藍(lán)光依然從研發(fā)到生產(chǎn)保持著密切的聯(lián)系。”張國義表示。

轉(zhuǎn)戰(zhàn)同質(zhì)外延氮化鎵襯底并產(chǎn)業(yè)化

襯底材料的選用是制作LED芯片首先要考慮的問題。目前市面上一般將藍(lán)寶石，硅，碳化硅這三種材料作為生產(chǎn)氮化鎵材料襯底。“隨著LED芯片技術(shù)的不斷成熟，整個(gè)行業(yè)的逐漸發(fā)展，襯底的需求量將越來越大。”頗具發(fā)展眼光的張國義預(yù)感到未來市場(chǎng)的需求點(diǎn)，再次作出戰(zhàn)略性的決策轉(zhuǎn)戰(zhàn)襯底研究。

“盡管在藍(lán)寶石等材料上都可以生長出氮化鎵材料，但這些畢竟不是最好的方法，從理論上考慮，最終的發(fā)展方向肯定是同質(zhì)外延氮化鎵襯底，到那時(shí)生長工藝會(huì)發(fā)生很大改變，也不會(huì)受現(xiàn)有專利的限制。”張國義表示，用氮化鎵單晶材料作為襯底，還可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯(cuò)密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度。

“最開始考慮做氮化鎵襯底可以追溯到1997年，當(dāng)時(shí)就招了一個(gè)博士研究生搭建了一臺(tái)生長氮化鎵襯底的HVPE設(shè)備， 1999年我也承擔(dān)了氮化鎵襯底項(xiàng)目的研究。在‘十一五’期間，我們也負(fù)責(zé)863計(jì)劃‘半導(dǎo)體照明工程’重大項(xiàng)目課題‘GaN基同質(zhì)襯底外延材料生長技術(shù)’。”長時(shí)間的關(guān)注與研究，讓張國義在氮化鎵同質(zhì)外延襯底方面的研究取得了顯著的成果與進(jìn)展，開發(fā)出了高質(zhì)量GaN襯底的制備和表面處理技術(shù)，通過優(yōu)化LED外延結(jié)構(gòu)、芯片結(jié)構(gòu)和工藝過程，掌握了可重復(fù)的高質(zhì)量GaN襯底及同質(zhì)外延的核心技術(shù)。

根據(jù)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，自2008年開始，北京大學(xué)也開始醞釀將半導(dǎo)體氮化鎵襯底材料產(chǎn)業(yè)化，并于2009年與廣東光大企業(yè)集團(tuán)進(jìn)行洽談，同年正式簽署合作協(xié)議。2009年1月，東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司正式注冊(cè)成立。“中鎵襯底的發(fā)展會(huì)相對(duì)當(dāng)時(shí)發(fā)展藍(lán)光芯片來說會(huì)容易一些，現(xiàn)在資金比較寬裕，技術(shù)力量也更雄厚。”張國義表示，這條路線是自己考慮的一個(gè)長遠(yuǎn)方向，因?yàn)橛玫墕尉бr底到目前為止價(jià)格還太高，針對(duì)LED照明這種要廣泛使用的器件其成本還不能被接受。

為了降低成本并達(dá)到同質(zhì)外延的目的，張國義也開辟出了一條新路徑——在藍(lán)寶石上制備氮化鎵復(fù)合襯底。“首先在藍(lán)寶石上面生長十微米厚度的氮化鎵并用它襯底，再在氮化鎵表面上生長氮化鎵，這可以稱得上廣義的或準(zhǔn)同質(zhì)的外延。然后采用激光剝離技術(shù)，將GaN材料轉(zhuǎn)移到其它支撐襯底材料上，如Si襯底或金屬基片上，進(jìn)而制備豎直結(jié)構(gòu)LED。”張國義表示，這項(xiàng)技術(shù)既滿足了同質(zhì)外延的概念，藍(lán)寶石襯底還可以重復(fù)利用，讓材料得到最大程度的節(jié)省，會(huì)大大降低成本。

“目前復(fù)合襯底的理念還有些超前，很多芯片生產(chǎn)公司還處于研發(fā)階段。復(fù)合襯底達(dá)到批量化生產(chǎn)還有一個(gè)過程，中鎵現(xiàn)階段面對(duì)市場(chǎng)的主要還是圖形襯底和激光剝離設(shè)備，隨著復(fù)合襯底技術(shù)的發(fā)展，激光剝離技術(shù)將來也會(huì)有很大的市場(chǎng)。”張國義表示，作為專業(yè)的襯底公司，這種另辟蹊徑的做法既避開了強(qiáng)硬的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，同時(shí)也為做芯片企業(yè)提供了具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，等到復(fù)合襯底起來時(shí)候，中鎵就會(huì)迎來一次真正的飛躍。

回首這些年將科研成果成功產(chǎn)業(yè)化的過程，張國義感嘆道：科研成果產(chǎn)業(yè)化是長期科研成果積累的結(jié)果，是比科研更為艱難的過程，在選好方向后一定要堅(jiān)持，如果不是較早切入LED藍(lán)光氮化物的研發(fā)并推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化就不可能有上海藍(lán)光，在襯底方面如果沒有這么多年的積累，那么也不會(huì)有如今的中鎵，相信上海藍(lán)光和中鎵未來一定會(huì)有很好的發(fā)展前景。

[NT:PAGE]

記者：您在科研化的道路中，是如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線并為之不斷付出的?

張國義：選擇研究哪一個(gè)方向，需要對(duì)整個(gè)行業(yè)國內(nèi)外的發(fā)展有比較透徹的理解，然后再做出決策，這就是一個(gè)戰(zhàn)略性的決策，如果自己選擇的道路做了很多年但最后發(fā)現(xiàn)此路不通，那么多年的努力就會(huì)付之一炬。

記者：那您一般是通過何種途徑得知國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展最前沿信息的?

張國義：文獻(xiàn)上的信息會(huì)比研發(fā)要晚半年，國際會(huì)議上的信息會(huì)比較前沿。我們比較注重展開國際合作交流，在這方面北大做得非常多的，國際上有四大氮化物半導(dǎo)體的國際會(huì)議我們已經(jīng)舉辦過兩個(gè)，2015年超千人的國際氮化物半導(dǎo)體國際會(huì)議(ICNS)也將由我們舉辦，會(huì)議將提供豐富的信息。像國內(nèi)的中國國際半導(dǎo)體照明論壇我們也會(huì)積極的參與，關(guān)注產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)及趨勢(shì)。

記者：您認(rèn)為半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)未來的主要發(fā)展方向是怎樣的?

張國義：LED真正發(fā)展到老百姓都能用的時(shí)候，LED技術(shù)應(yīng)該像傻瓜相機(jī)似的，不能總占領(lǐng)高技術(shù)領(lǐng)域，而最后一定是一個(gè)生產(chǎn)型的技術(shù)，所有的設(shè)備，一般工程人員都能操作，成本也能真正降低到老百姓能夠接受的程度，這也是半導(dǎo)體照明的發(fā)展方向。

記者：隨著產(chǎn)能的釋放，您認(rèn)為未來半導(dǎo)體照明企業(yè)的贏利空間在哪?

張國義：目前很多人都擔(dān)心產(chǎn)能過剩，我認(rèn)為這個(gè)問題的關(guān)鍵在于市場(chǎng)擴(kuò)展的程度，如果市場(chǎng)不能打開，產(chǎn)能過剩是必然趨勢(shì)。目前，核心的問題是降低成本。未來半導(dǎo)體照明企業(yè)要有一個(gè)心理準(zhǔn)備，隨著利潤空間縮小，企業(yè)要多在規(guī)模和經(jīng)營管理上下功夫。

記者：您認(rèn)為未來十年中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)在上游材料方面應(yīng)該在哪些方面進(jìn)行突破?

張國義：上游的材料主要有三大塊：高純氨、襯底、有機(jī)源，我感覺襯底和有機(jī)元會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展，南大光電在有機(jī)源方面的投入力度很大，現(xiàn)在高純氨在整體上發(fā)展還不太夠，進(jìn)口的比重比較大。有兩種解決途徑：第一種是做高純處氨的廠家直接將純度提純到7個(gè)9，第二是發(fā)展終端純化技術(shù)，減輕高純氨企業(yè)的壓力。

記者：隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大，襯底會(huì)出現(xiàn)供不應(yīng)求的情況么?

張國義：供不應(yīng)求的現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)：第一，目前生產(chǎn)藍(lán)寶石襯底的企業(yè)越來越多，很多企業(yè)的產(chǎn)能并未得到釋放;第二，新產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)度在不斷加快，隨著硅襯底技術(shù)的成熟，會(huì)將很大一部分的藍(lán)寶石襯底取代;第三，復(fù)合襯底也是今后發(fā)展的一大趨勢(shì)，所以不會(huì)出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。反而價(jià)格會(huì)有一個(gè)很大的下降空間。

記者：在設(shè)備的研發(fā)方面您有些怎樣的建議?

張國義：中國大陸新一輪買設(shè)備的趨勢(shì)在延緩，研發(fā)設(shè)備的廠家在增多。我認(rèn)為能不能做好，關(guān)鍵看有沒有創(chuàng)新的理念，與德國與美國的設(shè)備在原理上、設(shè)計(jì)上都能有所區(qū)別，避開專利，此外還要有雄厚的資本實(shí)力。企業(yè)最終能否贏利，也得看研發(fā)出來的設(shè)備是否優(yōu)于現(xiàn)有的設(shè)備，要不也只能是一種浪費(fèi)。

記者：您認(rèn)為未來十年市場(chǎng)的滲透率主要取決于什么?

張國義：2015年前將主要取決與政府的扶持，扶持的力度大，那么市場(chǎng)將會(huì)發(fā)展很快，如支持力度小，打開將會(huì)比較慢。而之后，則是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，走向標(biāo)準(zhǔn)化，滲透率會(huì)自然而然加大。

記者：您認(rèn)為中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)最關(guān)鍵的是什么?

張國義：抓兩頭帶中間，一是向高端外延芯片發(fā)展，注重技術(shù)的提升，這決定了我們國家在未來是制造大國還是制造強(qiáng)國。目前無論是在哪一個(gè)領(lǐng)域上，我們都沒有稱得上國際領(lǐng)先的技術(shù)，那么必須有選擇性的在某些方面進(jìn)行突破。二是市場(chǎng)決定了這個(gè)行業(yè)是健康發(fā)展，還是倒閉一批企業(yè)。如果市場(chǎng)起不來，中國不用到“十二五”末，就會(huì)倒閉一大批企業(yè)。如果市場(chǎng)發(fā)展起來了，技術(shù)上不去，也只能是給國外企業(yè)創(chuàng)造機(jī)會(huì)。因此政府應(yīng)當(dāng)同時(shí)注重技術(shù)提升和市場(chǎng)開拓兩方面的投入。