此次国家技术发明奖唯一的一等奖——“硅衬底高光效 GaN 基蓝色发光二极管”项目,发挥出的功效可谓淋漓尽致。

2015 年,国内 LED 行业受到经济下行的冲击,但该项目的转化企业、拥有独一无二原创技术的晶能光电发展势头良好,手机闪光灯和车灯用大功率 LED 快速增长,出货在国内企业中排名第一,公司利润水平好于同行业企业。几天前,晶能光电(江西)有限公司又宣布,2016 年将新增 100 台 MOCVD 设备,助力“南昌光谷”建设。

逆袭,靠的是“中国芯”。在世界 LED 产业领域,江西人自主研制的硅衬底 LED 芯片,已建立起从上游芯片到中游封装、下游应用的完整产业链。

硅衬底 LED 芯片有多神奇

高标准实验室内,配套一流的空气净化系统、温湿度控制系统。巴掌大的蓝色圆形硅片上,一层层“生长”着半导体材料,2000 个毫米见方的芯片整齐分布。这就是具有世界领先水平的硅衬底 LED 芯片。

这种新型 LED 芯片,正渐渐走近百姓生活。2015 年底,在南昌大学国家硅基 LED 工程技术研究中心,项目主要完成人江风益拿着一个小小的芯片告诉记者,硅衬底 LED 芯片的核心部件——发光层共有 70 多层(厚度大约 4 微米,是正常人体头发丝直径的 1/20)。

这小小的东西有什么特殊之处?隔着厚厚的玻璃,看着硅片上闪闪发亮的芯片,记者能感受到它的神奇。

芯片最怕热,温度每升高 10℃,其寿命就要减掉一半。而硅衬底的散热能力是蓝宝石的三倍以上,这样可以把工作中产生的热传给硅衬底,控制芯片的温度。如果人们把硅衬底芯片的灯放在手电筒里,可照射至 100 米,蓝宝石 LED 芯片可能只有 30 米,普通的光源大概就只有 10 米不到了。

而且,与世界上流行的蓝宝石和碳化硅衬底不同,硅衬底发光材料在单面出光器件方面有着明显的成本优势。世界上对硅衬底的研究做了 40 多年,最终才被江风益团队突破,并在南昌实现全球首次量产。

研发出中国的硅衬底 LED 技术有多重要

在硅衬底 LED 技术诞生之前,我国 LED 产业主要采用两种技术方案。一种叫做蓝宝石,一种叫做碳化硅。

LED 技术作用大、应用广泛,但 12 年前,我国半导体照明上游产业发展几乎是一片空白,功率型芯片全部依赖进口。当时,全国 99%的 LED 企业采用的都是蓝宝石技术路线。在这一技术领域,布满了涵盖全领域的专利“地雷”。起诉方以国际大公司为主,频频发动专利战来制衡竞争对手。

为了摆脱国外巨头的专利控制,必须靠自主核心技术专利,打造 LED“中国芯”。面对使命的召唤,江风益毅然启动这一技术难题的自主攻关。

他创新性地运用硅代替传统的蓝宝石或碳化硅,作为衬底制造氮化镓基 LED 器件。这是一项改写半导体照明历史的新技术。国家 863 专家组对此的评价是:“打破了日本某公司垄断蓝宝石衬底和美国某公司垄断碳化硅基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。”

如今,技术产业化单位晶能光电在衬底材料、外延片制造、芯片封装、照明灯具等领域布局了专利网,范围涉及欧美、韩、日等 LED 发达国家和地区。到目前为止,已经获得专利 147 项。

硅衬底 LED 产业前景有多大

硅衬底 LED 的作用这么大,现实中有哪些应用?


从大型户外显示屏到普通的手机背光源,从大功率 LED 路灯到孩子们喜欢的闪光鞋……因节能、环保、寿命长,LED 引发了照明光源的又一次革命,被称为 21 世纪最具发展前景绿色照明光源。

晶能光电 CEO 王敏介绍,在相同照明效果下,半导体照明(LED)比传统光源节能 40%到 90%,寿命比传统光源长 10 倍以上。

产品研发的活力在市场。记者了解到,我国半导体照明产业市场规模预计 2020 年达 1.2 万亿元。目前,全球 LED 产业市场潜力已达 1 万亿元。

已镌刻在世界硅衬底 LED 技术巅峰的江西,LED 产业将继续拓展。为了推动其实现超常规发展,“十三五”期间,我省将大力发展吉安、宜春、萍乡、新余等重点集聚区,延长产业链条,围绕上游芯片制造、中游器件封装、下游应用产品和配套材料及设备四个环节,打造完整的产业体系,致力打造千亿 LED 产业,建设“南昌光谷”。

眼下,江西 LED 产业规模效应正在放大。总投资 10 亿元的英瑞尔集成电路产业项目已落户南昌,建成后将形成集芯片设计、封装测试、应用方案、下游应用电子加工企业于一体的集成电路产业板块。而晶能光电新增的 MOCVD 设备达产后,新增产能将为其每年带来 40 亿元的销售额 .

中国硅衬底 LED 产业航母,将在江西扬帆起航。