方大:中国半导体照明产业先锋

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方大:中国半导体照明产业先锋

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2004年04月02日10:09 深圳商报

    ●国内外专家预言：半导体照明产业将是21世纪最大、最活跃的高科技产业之一，在经济竞争及国家安全方面具有极其重要的意义。一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战已在全球打响。

    ●方大集团股份有限公司四年一跃，在我国半导体照明关键领域获得重大突破，取得的一系列成果，确立了其在国内的领先地位，促进和带动了我国半导体照明产业实现历史性跨越。

    方大，中国半导体照明产业先锋

    日前，在“2004中国（上海）国际半导体照明论坛”上，方大集团股份有限公司在我国首次研制成功、并拥有自主知识产权的大功率高亮度半导体芯片，引起了国内外专家的高度关注，认为这是我国半导体照明领域关键技术的重大突破，达到了世界先进水平，将改变我国半导体照明产业核心技术由国外把持的被动局面。

    作为半导体照明的关键技术成果，由方大集团研制成功的大功率高亮度半导体芯片，最近被列为“十五”国家科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目，对加速启动国家半导体照明工程具有重要意义。

    从瓦特发明的蒸汽机，到爱迪生发明的电灯，从核裂变理论，到现代的互联网技术、生物技术、基因工程、航天工程……人类社会发展的历史，特别是最近几十年的发展历史强烈地昭示着：谁拥有了革命性技术（或者说高新技术），谁就能引领人类社会的发展方向，谁就能主宰世界，同时拥有财富。

    现在，传统的照明光源技术正在进行一场革命———世界范围内半导体照明技术将取代传统照明技术，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。据美国能源部预测：到2010年前后，美国将会形成500亿美元半导体照明产业，将有55％的白炽灯和荧光灯被半导体替代。这个预测极大地刺激了全球范围内的半导体照明产业的竞争。

    在我国发展高新技术产业的战略布局中，有眼光的中国企业审时度势，向着新兴半导体产业领域发起冲刺。

    方大集团紧紧抓住氮化镓（GaN）基半导体照明材料高技术产业化的先机，成为我国在氮化镓（GaN）基半导体照明工程领域的先锋，并向世界领先水平的半导体技术及产业化巅峰迈进。

    蓝宝石上的产业“皇冠”

    1879年10月21日，爱迪生发明了白炽灯，其后人类又发明了日光灯，人类用电照明的历史至今已传承125年。但是人们对照明光源技术的研究开发从未间断过，科学家们一直在致力于寻找性能更优越的发光材料。一种将电能转换为光能的发光二极管（LED）的问世，开创了半导体照明材料的新纪元，进而引发了一场用半导体照明取代白炽灯、日光灯等传统照明产业的全球性革命。

    发光二极管（LED）的生产过程与蓝宝石有关。

    发光二极管（LED）是由化合物半导体材料制作而成。超高纯度化合物半导体材料是一种单晶体，由元素周期表中的第Ⅲ和Ⅴ族元素组合而成，如GaAs、GaN、InGaN等。其生长过程首先是将蓝宝石衬底放入昂贵的有机化学汽相沉积炉（简写MOCVD，又称外延炉），再通入含氮、镓、铟的高纯气和有机金属源（如TMGa）。在高温下，高纯气和有机金属源热分解形成原子再通过化学汽相沉积在蓝宝石衬底上，生长出一层厚度仅几微米（1毫米＝1000微米）的化合物半导体外延层。长有外延层的蓝宝石片也就是常称的外延片。外延片经芯片加工后，通电就能发出颜色很纯的单色光，如红色、黄色、蓝色或绿色。不同的材料、不同的生长条件以及不同的外延层结构都可以改变发光的颜色和亮度。其实，在几微米厚的外延层中，真正发光的也仅是其中的几百纳米（1微米＝1000纳米）厚的量子阱结构。制作如此细小的物质，其技术的难度、工艺的复杂性可想而知。

    外延片经过类似集成电路制造的管芯加工工艺，产生电极化外延片，再经过分割变成多个晶粒，每个晶粒就是LED芯片，LED芯片经过封装成为发光二极管（英文缩写LED）。在蓝宝石———外延片———芯片———封装———应用这个新兴半导体照明的产业链中，LED外延片生长技术既是这个产业的最上游技术，又是这个产业最核心、最关键、最难掌握的技术。如果将这个产业链与汽车产业相比，外延片就好比发动机。发动机是汽车的心脏，外延片则是整个半导体照明产业的心脏，它决定了半导体照明产业的成败。

    经过几年的艰苦探索，方大集团在国内率先成功掌握了氮化镓（GaN）基LED外延片生长技术，在11项拥有自主知识产权的半导体发明专利中，有4项源自LED外延片生长技术，奠定了在国内半导体照明产业的领军地位。

    摘取高新技术领域的“皇冠”明珠，需要勇气和谋略。

    重大关键技术的突破

    在半导体照明产业链条中，氮化镓（GaN）基蓝光LED外延片、芯片技术属于上、中游技术，生产的技术壁垒较高，世界上只有美、日等国的少数几家企业能够掌握。生产蓝光LED外延片、LED芯片涉及许多复杂的问题，如LED外延片发光层厚度只有几百纳米，这几百纳米的发光层是由多种元素在MOCVD中经历十几个“寒暑”生成，每一层的生长都是复杂的化学、物理过程；从外延片到芯片生产过程要经过十几道工序，每道工艺的技术相当复杂，需要对很多技术参数进行分析筛选。为了突破技术壁垒，掌握核心技术，方大集团在加强与国内著名科研院校合作的同时，通过企业博士后工作站对重大科研项目进行战略攻关，并成立了由十余名博士、博士后参加的半导体照明材料科研攻关小组。

    4年来，方大的技术人员通过难以数计的实验，积累了大量宝贵的氮化镓（GaN）基外延片、芯片研究、开发和生产经验，使蓝光LED外延片、芯片的品质达到了国外同类产品的水平，取得了一系列重大技术突破：

    通过改进缓冲层生长技术、调整量子阱的生长气氛，降低了外延片的缺陷密度、改善了量子阱的界面特性，从而提高了外延片发光功率和波长的均匀性；

    通过优化电极制作工艺，改善金属与P－GaN和N－GaN间的欧姆接触，显著降低了芯片的工作电压（低于3.6V），使芯片的批量销售成为可能；

    优化整体生产工艺，实现了连续、稳定和均衡生产，大大提高了产品性能的一致性和重复性以及产品的综合成品率（大于80％）；

    对生产工艺———蓝宝石衬底芯片的分割工艺技术等进行改进，对其所用的耗材进行了国产化研究，带动了国内相关材料的发展；

    通过对刻蚀后表面清洗方法的改进、PN电极图形结构的改变，使芯片的正向工作电压（VF）降低0.2V左右；

    通过优化SiO2保护膜生长工艺、窗口SiO2腐蚀工艺和改进磨抛后取片去蜡方法，使综合平均成品率提高到了85％左右，其中有些规格芯片的成品率甚至能够达到92％的高水平。

    2003年7月，方大自己培养出来的博士后，通过对“白光发光二极管”项目一年多时间的钻研和努力探索，已成功掌握了一种用蓝光LED与含有复合发光材料的白光发光器件及发光材料组合而成的半导体白光照明技术，研制出拥有自主知识产权的国产牌白光LED产品，这是我国在该领域取得核心技术的重大突破，它打破了发达国家众多专利的种种限制，改写了世界半导体照明技术由少数几个发达国家控制的局面。

    大功率高亮度半导体芯片是实现半导体照明的关键。为了提高半导体照明发光强度，方大的技术专家通过改善发光和出光效率，以提高器件电流来解决单一芯片的光通量，有效解决了高电流驱动、散热、出光效率和可靠性等技术难点。同时采用独特的底板和芯片设计原理，结合先进的外延特点，使用倒装焊技术，使量子效率得到了极大的提高，成功解决了反向漏电流随芯片尺寸增加而增加的技术难题，使半导体照明用的大功率高亮度芯片成为现实。大功率高亮度半导体芯片不仅具有高效、节能、寿命长等优点，而且大幅改善电流分布，使热源发布和发光强度更加均匀。

    在氮化镓（GaN）基蓝光LED芯片技术上的突破，奠定了制造白光发光二极管的基础，为方大在国内赢得了半导体照明市场的先机。

    目前，方大集团已拥有“在蓝宝石衬底上形成半导体发光二极管管芯的方法”、“一种可制备大功率发光二极管的半导体芯片”、“复合量子阱结构高亮度GaN基蓝光LED外延片”等10多项发明专利。

    方大集团现已形成一条从氮化镓（GaN）基蓝光LED外延片、芯片、白光荧光粉到照明工程应用产品开发、制造，直至终端市场推广应用的完整产业链，半导体照明产品产销率上升至90％，产品广泛应用于大屏幕彩色显示、车辆及交通信号、室内外装饰和通用照明工程等；除此之外，半导体芯片还应用于手机、电脑、音响及家电产品的指示光源等。

    方大集团发展氮化镓（GaN）半导体产业的战略部署和在氮化镓（GaN）基蓝光LED外延片、芯片技术及其产业化所取得的初步成功，让我国产业界为之振奋。它使我们看到了中国新兴半导体照明产业的希望。

    产业化的先锋

    掌握了LED外延片生长技术和LED芯片制造技术，如何使其实现产业化，是半导体照明替代传统照明必须要解决的问题。如果说4年前，我国的LED外延片、芯片技术还停留在口头上或实验室的话，那么实现这一高技术成果的产业化，并实现规模化生产，已成为我国科研界、产业界共同奋斗的目标。但是，由于研发的LED外延片、芯片尚属于中试阶段，从中试到批量生产存在较大的风险，因而令许多有实力的企业望而却步。

    方大集团成为国内第一家吃螃蟹的企业。2000年，方大实施了一项震惊业界的产业拓展计划：在发展新型建材业的同时，倾力发展氮化镓（GaN）基半导体光电产业，投资8000万元分别成立了方大福科信息材料有限公司、方大国科光电技术有限公司，研制氮化镓（GaN）基半导体材料和氮化镓（GaN）基半导体光电器件。

    2000年4月6日，当方大集团董事长熊建明在深圳五洲宾馆宣布这一决定后，方大又一次成为投资者、媒体等关注的焦点。怀疑者有之，观望者有之。人们普遍担心的是，方大集团要从熟悉的新型建材产业跨入科技含量极高的半导体照明光电产业，这无疑是历史性的跳跃，这一跳跃能成功吗？

    人们的担心是有理由的。因为氮化镓（GaN）材料作为继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料，是新兴半导体产业的核心材料，它可制成高效蓝、绿光发光二极管LED和激光二极管LD（又称激光器），并可延伸到白光LED，其产业化将对我国半导体材料产业带来深远的影响，它不仅带来IT行业数字化存储技术的革命，也将彻底改变人类传统照明的历史。而方大集团作为我国新型建材行业的知名企业，要在自己并不熟悉的高科技前沿领域开发生产具有自主知识产权的氮化镓材料及光电子器件，所面临的挑战和困难无疑是巨大的。高技术产品实现规模化生产和销售，需要顶尖的技术、人才，雄厚的资金，以及国家产业政策的大力支持。

    方大人通过对氮化镓（GaN）材料国内外市场充分调研和综合分析认为，虽然我国的半导体技术产业化与世界先进国家相比起步较晚，但只要抓住机会，奋力追赶，氮化镓（GaN）材料技术产业化是可以实现的。方大人一定要让中国在世界半导体产业领域占有一席之地。

    在国家“863”计划的支持下，方大集团与中国科学院半导体所、南昌大学等国内著名科研院校合作，利用科研院校的科研实力和技术成果，开展了氮化镓（GaN）基蓝光LED、白光LED、蓝光激光器LD以及全彩显示屏等高技术成果的产业化工作。一方面不惜重金从海内外招贤纳士，先后引进多名研究专家、管理专家，另一方面从企业内部选拔人才到国内著名院校学习产业化技术，并利用已有技术研发基础培训技术骨干。通过引进和自身培养，方大集团已聚集了一批高素质的研发和管理人才。现任方大国科光电技术有限公司总经理的李刚博士，是氮化镓（GaN）基半导体材料产业领域的专家，是从台湾引进的高级人才；由方大博士后工作站培养出来的张双益博士后，通过对“蓝光LED产业化研究”，探索蓝光LED器件工艺技术的效能，研究管芯分割工艺对蓝光LED管芯分割成品率的影响规律，并对上、中游工艺技术进行综合分析和优化等等，推动了“氮化镓基（GaN）半导体材料及器件”成果产业化进程。方大集团先后吸引了十多名博士及博士后对项目进行技术攻关，在氮化镓单晶膜的制造方法、半导体发光器件双异质结构及发光二极管等三个外延片生长方面，取得了重大进展。

    2001年10月，方大在国内率先向市场推出了拥有自主知识产权的氮化镓（GaN）基LED外延片，标志着我国氮化镓（GaN）基半导体材料的产业化取得成功。

    2002年5月，方大成功试制出氮化镓（GaN）基蓝光LED芯片，这是我国首个新型半导体产品，并同时进行批量生产，成功实现了国家863计划高技术成果的产业化。

    方大集团氮化镓（GaN）基蓝光LED外延片、芯片的相继问世及规模化生产和销售，缩短了我国该领域与世界先进水平间的差距，填补了国内空白，它为我国半导体照明产业的发展奠定了基础。

    光明的前景

    直到现在，照明和城市美化所用的大部分灯具，只有5％的电能转化成了光能。

    氮化镓（GaN）半导体发光二极管（LED）作为第三代半导体照明材料，具有节能、寿命长、体积小、安全、免维护、响应速度快、环保等特性，以其作为光源，在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1／8－1／10,寿命可以达到8万小时以上。一个半导体灯正常情况下可以使用50年，即使长命百岁的人，一生最多也就用2只灯。目前我国一年照明耗电量超过2000亿千瓦时，占全国用电总量的12％。半导体灯替代传统灯后，我国每年可节约近1000亿千瓦时，超过2008年建成后的三峡电站的发电量。

    半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，是大势所趋。半导体照明产业成为继IT之后的又一高增长、应用广阔的新兴产业，市场前景诱人。据测算，7年后仅在美国，半导体照明就可能形成一个500亿美元的大产业。

    鉴于半导体照明产业令人鼓舞的发展前景，日本、美国、欧盟、韩国等近年来相继推出国家半导体照明计划，投入巨资进行研发，大力发展发光二极管产业。

    美国能源部提出的“下一代照明光源计划”已被列入了“能源法案”，该计划为期10年，耗资将达5亿美元。日本通商产业省在1998年就设立了“21世纪光计划”项目，计划5年内开发新型半导体材料、衬底、荧光粉和照明灯具等。日本提出2006年采用半导体灯大规模替代传统白炽灯。半导体照明产业前景的巨大诱惑，也吸引了跨国巨头纷纷挟重金进入。世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团已加入该行业，并提出在2010年前，使半导体灯发光效率再提高8倍。美国GE与EMCORE合作成立了GELcore公司，德国西门子与欧司朗合作成立合资公司。他们声称，如果西方不开发自己的白色LED技术，远东竞争者就会在LED领域占优势，冲击传统照明光源。

    一场抢占半导体照明产业制高点的争夺战，已经在全球打响。

    面对世界照明工业转型的重大商机和半导体照明新兴产业的崛起，中国必须紧紧咬住，否则就可能与历史机遇再次失之交臂。

    在微电子领域丧失战略先机的中国政府，审时度势，于2003年7月正式启动了“国家半导体照明工程”，该工程的目标就是要从战略的高度抢占半导体照明新兴产业制高点。一个跨部门的国家半导体照明工程协调领导小组宣布成立。国家科技部建议，在将半导体照明产业纳入国家重点发展的高新技术产业的同时，以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明中的应用。国家计划先从863计划和攻关计划中拿出8000万元作为引导经费，安排一些急需上马的项目。

    今年3月，随着方大“大功率高亮度半导体芯片”等我国“十五”科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目的正式立项，国家半导体照明工程已进入实质性推进阶段。国家半导体照明工程协调领导小组副组长李健介绍说，“十五”国家科技攻关计划重大项目的战略目标是：突破一批半导体照明的关键技术、掌握一批半导体照明技术的知识产权、形成我国自己的半导体照明产业。要在推动半导体照明在城市景观等特殊照明领域应用的同时，瞄准实现普通照明的远期目标，加大解决亮度、价格等瓶颈的攻关力度，通过建设半导体照明技术标准体系和知识产权联盟，尽快打造我国半导体照明新兴产业。

    我国一些省市纷纷推出发展半导体照明产业的计划。据悉，上海、大连、宁波、厦门的半导体照明产业发展迅速，政府极其重视。上海已经在2000年就开始启动了“光电子行动计划”，集中投入近1000万元加大科研方面的力度。目前，上海市明确提出，要以产业化为目标，通过以市场带动产品，以技术平台服务企业，以资本推动促进产业，实施政府引导，市场优化运作，在产品出口的带动下，最终形成具有上海特色的半导体照明产业群。大连已成为“国家半导体照明基地”城市之一。福建、江西等地也相继出台相关扶持政策。深圳的半导体LED产业的先发优势正在面临国内外同行的激烈挑战。

    方大集团副总裁王胜国说，方大集团在国内率先发展半导体照明产业，在一定程度上影响或带动了一些有实力的企业进入这一行业。中国的半导体照明产业已经形成了群雄争霸的局面，这一重大的产业机遇，哪一个城市先得，哪一个城市就会受益无穷。

    扶持·奋进

    2003年7月16日，时任中共广东省委常委、深圳市代市长的李鸿忠走马上任后视察的第一家企业就是方大集团。李鸿忠专门参观了方大集团半导体照明材料生产车间，饶有兴趣地听取方大集团董事长熊建明的汇报。中共深圳市委常委、常务副市长李德成，副市长刘应力等也分别于2003年初视察了方大集团，并专门参观了氮化镓（GaN）LED芯片生产车间。深圳市领导对氮化镓（GaN）半导体照明产业的重视，令方大人备受鼓舞。

    深圳是国内半导体照明产业起步较早的地区之一，现已形成了“蓝宝石———外延———芯片———封装———应用”的完整产业链。早在上个世纪90年代初，深圳就出现了10多家从事LED封装及应用的企业，而方大自主开发生产的具有自主知识产权的氮化镓材料及光电子器件，是这个产业链中最关键、最核心、最基础的产品，其技术品质影响着产业链下游从封装应用起步的一大批企业。如今，深圳这类中下游企业达300多家之众，占全国同行业企业总数的70％以上，LED产品已远销欧美。

    深圳市政府对半导体照明产业给予了大力支持。为了配合国家半导体照明工程的实施，扶持深圳半导体照明产业，培育深圳高新技术产业集群中新的增长点，市科技主管部门出台了扶持半导体照明产业的6条新措施：一是成立深圳市半导体照明工程协调领导小组，领导小组成员由市科技局、市计划局、市经贸局、高新办、市财政局、市地税局等多个政府职能部门组成，主要职能是制订我市半导体照明产业发展的总体思路，做好顶层设计、制订政策、制订标准、组织重大关键技术攻关等，营造产业集群的外部环境；二是成立深圳市半导体照明工程专家小组。专家小组成员主要由国内外业内知名专家、顾问组成，负责指导半导体照明技术研发路线及相关政策的制订、知识产权战略的实施、有关技术标准的建立等；三是将半导体照明产业项目作为市科技计划项目的重大专项。选择和确定深圳最有实力突破和最有利于形成产业链的半导体照明产业化关键核心技术进行公开招标，组织攻关，重点资助，同时为列入国家科技攻关计划中的半导体照明重大课题的深圳企业进行资金匹配；四是发挥深圳大学光电子学研究所的公共技术平台及研发队伍作用。实行开放服务，以优惠条件接受相关企业委托的技术研究开发、试验任务，提供测试等基础技术和人员培训服务，有效解决生产过程中的关键技术及共性技术问题，协助企业改进技术、工艺及生产管理，全面提升产品竞争力；五是推动成立“官产学研资介”（即政府、企业、院所、公共平台、投资机构和科技中介）产业合作联盟。使各方面的要素得以高效方便地流通融合，调动各方面力量共同参与，加快成果转化。通过邀请国内外专家讲学、技术专题研讨、项目推介会等多种方式的技术交流，合理加速知识信息及创新技术的扩散；六是依托高交会，为深圳半导体照明产业提供宣传展示、成果转化、交易交流平台。

    业内人士称这些政策的出台将极大地推动我市LED企业抢占半导体照明产业高地。

    半导体照明产业是一个大有希望的新兴产业。在这场没有硝烟抢占产业制高点的争夺战中，我们只能走在前面。在我国半导体照明领域关键技术和产业化工作不断取得突破的方大集团，不仅要做中国半导体照明产业的先锋，更要走向世界，为打造有国际竞争力的中国半导体照明产业而勇往直前！(深圳商报)