點燃中國氮化物藍光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，它必須在實驗室才能獲得，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、綠光發(fā)光二極管和激光器，并可擴展到白光，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)一些科研機構(gòu)也對氮化鎵材料的研發(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候，于是在1990年，張國義的課題組就開始在這個注定將改變照明歷史的氮化物材料的研究，成為國內(nèi)較早進入這一研究領(lǐng)域的研究團隊。而此時，國際上氮化鎵藍光LED也沒有研制成功。

課題啟動之初，由于經(jīng)費不足而困難重重。“在‘九五’期間，我們申請過863等項目的支持，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國際會議，日本的一位教授送給了他兩只在當(dāng)時售價還很昂貴的氮化鎵藍光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。

“然而這個事真正做起來還是非常難的，在藍寶石上面采用兩步生長法真正的獲得一個PN結(jié)在那個時候也不容易。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》上，成為國內(nèi)第一個發(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)藍光LED，多量子阱藍光LED。

張國義課題組的研究點燃了我國氮化物藍光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)研究機構(gòu)也逐漸多起來，直接推動了我國氮化物藍光LED及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

推進科研成果產(chǎn)業(yè)化 成立北大藍光

1999年，經(jīng)過近十年的研究，張國義對氮化鎵藍光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)濟效益和社會效益，發(fā)揮出其真正的價值。”張國義說，氮化鎵藍光材料本身也具有重大的經(jīng)濟技術(shù)價值和市場前景，它的發(fā)展將對半導(dǎo)體LED產(chǎn)業(yè)和一大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)有十分重要的帶動作用。

當(dāng)時，張國義的研究成果得到了一個美國公司的青睞。“那個美國公司要請整個團隊先到國外進行產(chǎn)業(yè)化試驗，待能夠大批量生產(chǎn)的時候再轉(zhuǎn)移到國內(nèi)。”相對完美的方案及優(yōu)厚條件，讓一心想將技術(shù)推向市場的張國義感到心動，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)的合作對象。”張國義表示。

1999年底，北大開始與黑龍江大正集團談判準(zhǔn)備一起合資成立一個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伍里。在幾方多次談判下，共同成立 “上海北大藍光科技有限公司”。北大藍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年北大藍光相關(guān)的進口設(shè)備就開始安裝了。到2002年3月，北大藍光的藍光LED開始進行小批量的生產(chǎn)。到2003年，北大藍光在管理、規(guī)模、人才引進上都比較成熟了，我們才回到北大。”張國義說，“后來藍光經(jīng)過增資擴股，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，上海藍光經(jīng)過十多年的發(fā)展，上海本部資產(chǎn)已有幾個億，隨后彩虹集團的加盟，為上海藍光的發(fā)展，提供了更為迅速的發(fā)展機會，而且在合肥投資新建了二十多個億的彩虹藍光生產(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)感到未來市場的需求點，再次作出戰(zhàn)略性的決策轉(zhuǎn)戰(zhàn)襯底研究。

“盡管在藍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，到那時生長工藝會發(fā)生很大改變，也不會受現(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)時就招了一個博士研究生搭建了一臺生長氮化鎵襯底的HVPE設(shè)備， 1999年我也承擔(dān)了氮化鎵襯底項目的研究。在‘十一五’期間，我們也負(fù)責(zé)863計劃‘半導(dǎo)體照明工程’重大項目課題‘GaN基同質(zhì)襯底外延材料生長技術(shù)’。”長時間的關(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，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)集團進行洽談，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成立。“中鎵襯底的發(fā)展會相對當(dāng)時發(fā)展藍光芯片來說會容易一些，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長遠方向，因為用氮化鎵單晶襯底到目前為止價格還太高，針對LED照明這種要廣泛使用的器件其成本還不能被接受。

為了降低成本并達到同質(zhì)外延的目的，張國義也開辟出了一條新路徑——在藍寶石上制備氮化鎵復(fù)合襯底。“首先在藍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，進而制備豎直結(jié)構(gòu)LED。”張國義表示，這項技術(shù)既滿足了同質(zhì)外延的概念，藍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)合襯底達到批量化生產(chǎn)還有一個過程，中鎵現(xiàn)階段面對市場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)將來也會有很大的市場。”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硬的競爭對手，同時也為做芯片企業(yè)提供了具有競爭力的產(chǎn)品，等到復(fù)合襯底起來時候，中鎵就會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持，如果不是較早切入LED藍光氮化物的研發(fā)并推進其產(chǎn)業(yè)化就不可能有上海藍光，在襯底方面如果沒有這么多年的積累，那么也不會有如今的中鎵，相信上海藍光和中鎵未來一定會有很好的發(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：選擇研究哪一個方向，需要對整個行業(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：文獻上的信息會比研發(fā)要晚半年，國際會議上的信息會比較前沿。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)體的國際會議我們已經(jīng)舉辦過兩個，2015年超千人的國際氮化物半導(dǎo)體國際會議(ICNS)也將由我們舉辦，會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積極的參與，關(guān)注產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢及趨勢。

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候，LED技術(shù)應(yīng)該像傻瓜相機似的，不能總占領(lǐng)高技術(shù)領(lǐng)域，而最后一定是一個生產(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)為這個問題的關(guān)鍵在于市場擴展的程度，如果市場不能打開，產(chǎn)能過剩是必然趨勢。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)該在哪些方面進行突破?

張國義：上游的材料主要有三大塊：高純氨、襯底、有機源，我感覺襯底和有機元會協(xié)調(diào)發(fā)展，南大光電在有機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：隨著市場的擴大，襯底會出現(xiàn)供不應(yīng)求的情況么?

張國義：供不應(yīng)求的現(xiàn)象不會出現(xiàn)：第一，目前生產(chǎn)藍寶石襯底的企業(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)進度在不斷加快，隨著硅襯底技術(shù)的成熟，會將很大一部分的藍寶石襯底取代;第三，復(fù)合襯底也是今后發(fā)展的一大趨勢，所以不會出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。反而價格會有一個很大的下降空間。

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)計上都能有所區(qū)別，避開專利，此外還要有雄厚的資本實力。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。

記者：您認(rèn)為未來十年市場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，那么市場將會發(fā)展很快，如支持力度小，打開將會比較慢。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國。目前無論是在哪一個領(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行突破。二是市場決定了這個行業(yè)是健康發(fā)展，還是倒閉一批企業(yè)。如果市場起不來，中國不用到“十二五”末，就會倒閉一大批企業(yè)。如果市場發(fā)展起來了，技術(shù)上不去，也只能是給國外企業(yè)創(chuàng)造機會。因此政府應(yīng)當(dāng)同時注重技術(shù)提升和市場開拓兩方面的投入。