點燃中國氮化物藍光LED火苗

張國義與半導體照明產業間的緣分還得從一種神奇的物質“氮化鎵”材料說起。氮化鎵單晶體，人們目前為止還沒有發現有天然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。人類從20世紀30年代已發現氮化物半導體具有這個性質，但長期以來由于氮化鎵單晶制備特別困難，研發一直也未取得突破。

國內一些科研機構也對氮化鎵材料的研發給予了持續的關注與投入。中科院長春物理所早在20世紀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80年代末，日本利用MOCVD設備及兩步生長法，獲得了P型材料，攻破了半導體照明材料的核心技術PN結，開啟了氮化鎵應用在照明方面的大門。北大經過調研后，預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，成為國內較早進入這一研究領域的研究團隊。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，由于技術太前沿，全世界氮化物發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時售價還很昂貴的氮化鎵藍光LED。消息傳回國內立刻引起了國內科技界的重視，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掉，多余的才能變成P型。直到1995年我們才真正獲得PN結材料。”張國義感慨道，課題組的研究成果當年也發表在APL和《中國應用物理快報》上，成為國內第一個發表關于PN結氮化鎵發光管的文章，以后陸續研制出InGaN/GaN的雙異質結藍光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，國內也掀起了一股研究氮化物半導體的高潮，參與研發研究機構也逐漸多起來，直接推動了我國氮化物藍光LED及相關產業的發展。

推進科研成果產業化 成立北大藍光

1999年，經過近十年的研究，張國義對氮化鎵藍光LED的工藝有了更為清楚的了解，開始醞釀產業化。“科研成果只有產業化，才能顯示其經濟效益和社會效益，發揮出其真正的價值。”張國義說，氮化鎵藍光材料本身也具有重大的經濟技術價值和市場前景，它的發展將對半導體LED產業和一大批相關產業有十分重要的帶動作用。

當時，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業化試驗，待能夠大批量生產的時候再轉移到國內。”相對完美的方案及優厚條件，讓一心想將技術推向市場的張國義感到心動，他再次面臨著選擇。“后來為了不讓技術及人才流失，此條路徑并未得到北京大學的支持，于是他們開始尋求國內的合作對象。”張國義表示。

1999年底，北大開始與黑龍江大正集團談判準備一起合資成立一個LED芯片生產公司。隨后，張江創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光材料和器件的公司，填補了我國這一領域的空白。

“2000年開始籌建建廠，基礎建設基本上都是北大幫助其做，盡管存在很多困難，但2001年北大藍光相關的進口設備就開始安裝了。到2002年3月，北大藍光的藍光LED開始進行小批量的生產。到2003年，北大藍光在管理、規模、人才引進上都比較成熟了，我們才回到北大。”張國義說，“后來藍光經過增資擴股，根據國務院的規定要求才把‘北大’從公司名稱中去掉了。”

“如今，上海藍光經過十多年的發展，上海本部資產已有幾個億，隨后彩虹集團的加盟，為上海藍光的發展，提供了更為迅速的發展機會，而且在合肥投資新建了二十多個億的彩虹藍光生產線，規模和技術都有了很大提升。至今北大與藍光依然從研發到生產保持著密切的聯系。”張國義表示。

轉戰同質外延氮化鎵襯底并產業化

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氮化鎵材料襯底。“隨著LED芯片技術的不斷成熟，整個行業的逐漸發展，襯底的需求量將越來越大。”頗具發展眼光的張國義預感到未來市場的需求點，再次作出戰略性的決策轉戰襯底研究。

“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，最終的發展方向肯定是同質外延氮化鎵襯底，到那時生長工藝會發生很大改變，也不會受現有專利的限制。”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量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發光效率，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設備， 1999年我也承擔了氮化鎵襯底項目的研究。在‘十一五’期間，我們也負責863計劃‘半導體照明工程’重大項目課題‘GaN基同質襯底外延材料生長技術’。”長時間的關注與研究，讓張國義在氮化鎵同質外延襯底方面的研究取得了顯著的成果與進展，開發出了高質量GaN襯底的制備和表面處理技術，通過優化LED外延結構、芯片結構和工藝過程，掌握了可重復的高質量GaN襯底及同質外延的核心技術。

根據未來產業發展趨勢，自2008年開始，北京大學也開始醞釀將半導體氮化鎵襯底材料產業化，并于2009年與廣東光大企業集團進行洽談，同年正式簽署合作協議。2009年1月，東莞市中鎵半導體科技有限公司正式注冊成立。“中鎵襯底的發展會相對當時發展藍光芯片來說會容易一些，現在資金比較寬裕，技術力量也更雄厚。”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同質的外延。然后采用激光剝離技術，將GaN材料轉移到其它支撐襯底材料上，如Si襯底或金屬基片上，進而制備豎直結構LED。”張國義表示，這項技術既滿足了同質外延的概念，藍寶石襯底還可以重復利用，讓材料得到最大程度的節省，會大大降低成本。

“目前復合襯底的理念還有些超前，很多芯片生產公司還處于研發階段。復合襯底達到批量化生產還有一個過程，中鎵現階段面對市場的主要還是圖形襯底和激光剝離設備，隨著復合襯底技術的發展，激光剝離技術將來也會有很大的市場。”張國義表示，作為專業的襯底公司，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提供了具有競爭力的產品，等到復合襯底起來時候，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業化的過程，張國義感嘆道：科研成果產業化是長期科研成果積累的結果，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藍光氮化物的研發并推進其產業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展前景。

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記者：您在科研化的道路中，是如何準確預測未來產業發展路線并為之不斷付出的?

張國義：選擇研究哪一個方向，需要對整個行業國內外的發展有比較透徹的理解，然后再做出決策，這就是一個戰略性的決策，如果自己選擇的道路做了很多年但最后發現此路不通，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外產業發展最前沿信息的?

張國義：文獻上的信息會比研發要晚半年，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體的國際會議我們已經舉辦過兩個，2015年超千人的國際氮化物半導體國際會議(ICNS)也將由我們舉辦，會議將提供豐富的信息。像國內的中國國際半導體照明論壇我們也會積極的參與，關注產業發展態勢及趨勢。

記者：您認為半導體照明產業未來的主要發展方向是怎樣的?

張國義：LED真正發展到老百姓都能用的時候，LED技術應該像傻瓜相機似的，不能總占領高技術領域，而最后一定是一個生產型的技術，所有的設備，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，這也是半導體照明的發展方向。

記者：隨著產能的釋放，您認為未來半導體照明企業的贏利空間在哪?

張國義：目前很多人都擔心產能過剩，我認為這個問題的關鍵在于市場擴展的程度，如果市場不能打開，產能過剩是必然趨勢。目前，核心的問題是降低成本。未來半導體照明企業要有一個心理準備，隨著利潤空間縮小，企業要多在規模和經營管理上下功夫。

記者：您認為未來十年中國半導體照明產業在上游材料方面應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調發展，南大光電在有機源方面的投入力度很大，現在高純氨在整體上發展還不太夠，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，第二是發展終端純化技術，減輕高純氨企業的壓力。

記者：隨著市場的擴大，襯底會出現供不應求的情況么?

張國義：供不應求的現象不會出現：第一，目前生產藍寶石襯底的企業越來越多，很多企業的產能并未得到釋放;第二，新產品的研發進度在不斷加快，隨著硅襯底技術的成熟，會將很大一部分的藍寶石襯底取代;第三，復合襯底也是今后發展的一大趨勢，所以不會出現供不應求的現象。反而價格會有一個很大的下降空間。

記者：在設備的研發方面您有些怎樣的建議?

張國義：中國大陸新一輪買設備的趨勢在延緩，研發設備的廠家在增多。我認為能不能做好，關鍵看有沒有創新的理念，與德國與美國的設備在原理上、設計上都能有所區別，避開專利，此外還要有雄厚的資本實力。企業最終能否贏利，也得看研發出來的設備是否優于現有的設備，要不也只能是一種浪費。

記者：您認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，則是隨著技術的不斷發展成熟，走向標準化，滲透率會自然而然加大。

記者：您認為中國半導體照明產業最關鍵的是什么?

張國義：抓兩頭帶中間，一是向高端外延芯片發展，注重技術的提升，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域上，我們都沒有稱得上國際領先的技術，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是健康發展，還是倒閉一批企業。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。如果市場發展起來了，技術上不去，也只能是給國外企業創造機會。因此政府應當同時注重技術提升和市場開拓兩方面的投入。