探寻硅衬底LED技术大规模产业化之路

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在晶能光电硅衬底小功率LED芯片量产后不久，研究再一次遇到困难，在硅衬底大功率LED芯片上，硅基图形化技术开始显得“力不从心”，外延膜由于变形导致龟裂的问题再次出现，芯片制造技术不够稳定、合格率也比较低。

最困难的时候，一批留学归来的热血青年加入了晶能光电，以新的思路完成了硅衬底LED技术的“升级换代”，晶能光电率先于全球实现了硅衬底LED技术大规模产业化。孙钱就是这批留学归来青年中的一位。

“学霸”之路

初次见到孙钱，这个80后的大男孩没有记者想象的意气风发，颦笑间略显腼腆。

孙钱，2002年从中科大提前一年毕业，获材料物理理学学士和计算机科学与技术工程学士双学位，并荣获中科大最高奖郭沫若校长奖，同年以全系第一名的成绩免试推荐到中科院半导体所读研;2005年硕士毕业后进入耶鲁大学深造，仅用四年获得博士学位、并荣获耶鲁工学院最高奖Becton奖;2011年入选中组部首批国家“青年千人计划”，加入中科院苏州纳米所技术与纳米仿生研究所(下称中科院苏州纳米所)和晶能光电;2012年入选江苏省“双创人才”计划和苏州工业园区“金鸡湖双百人才”，2015年荣获国家优秀青年科学基金资助，2016年荣获国家技术发明一等奖;现任中科院苏州纳米所研究员、博导，科技部高新司“第三代半导体材料”项目总体专家组成员，兼任晶能光电研发副总裁。翻看孙钱的简历，妥妥一部“学霸”成长记。

回忆往事，这个来自南通的农家孩子表示，最初踏进半导体大门就是为了“好找工作”。2002年本科毕业时，因为家境比较贫穷，孙钱只能深埋出国进修梦，选择被保送到中科院读研。“选择半导体所就是因为这专业毕业后好找工作，赶紧挣点钱，补贴家用。”孙钱大笑着说。孙钱在中科院半导体所开始跟随导师杨辉研究员进行氮化镓薄膜的研究，这也为其后来踏入硅衬底LED埋下了伏笔。

一次同学聚会再次重燃了孙钱的出国梦。“每个月有2000多美元奖学金啊，在国内全职工作也挣不到这么多嘛，留学还能挣个学历，开拓视野。”孙钱决定准备出国，1个月考过了GRE，两周考过托福。“如果本科时就出国肯定不会去耶鲁，但当时申请学校时发现美国TOP10的大学只有耶鲁在做氮化镓，也就只能去耶鲁了。”

在导师的要求下，孙钱没有参加硕士毕业典礼，提前3个月到了耶鲁开始实验室工作。

小伙扛大梁

谈及到硅衬底氮化镓基LED时，骨子里的“狂妄”开始写在这个腼腆男孩的脸上。

“在美国，氮化镓已经开始走下坡路了。”初到美国，孙钱就被博士生导师兜头泼了一盆冷水。因为晶格失配和热失配等问题长期无法解决，学术界已经开始放弃硅衬底，涌向蓝宝石衬底。

但孙钱却决定挑战这个难题。通过系统调研、查阅资料，孙钱提出了通过应力控制来解决“龟裂”的方案。但这个方案并不被导师看好，“这不可能，别人做了那么久都没有成功，你也不可能解决(龟裂)这个问题。”但孙钱颇为偏执，继续实验，并在原理和机理上都获得了很大的进展，方案获得初步验证。

“命运早已安排，你只需要做好自己。”这句话用在孙钱身上再合适不过，2009年博士毕业时赶上美国金融危机，但当时LED产业一片欣欣向荣，孙钱在权衡之下投身到这个蓬勃的产业。在飞利浦Lumileds和普瑞光电之间，孙钱选择了后者，于2010年出任该公司外延研发科学家，负责大尺寸硅衬底GaN基蓝光LED的研发。

凭借在耶鲁的良好底子和拼劲，孙钱在普瑞光电的硅衬底LED项目进展神速。不到半年，孙钱攻克了第一个难关，第五批外延片流片时就在硅衬底上实现了135流明/瓦的LED。全公司开始对硅衬底LED热情高涨，项目也从只有他一人主攻变成全公司人人参与，数据反馈周期则从最初的2-3个月缩短到3-5天;又不到半年后，孙钱及团队在8英寸硅衬底上实现了160流明/瓦的高光效GaN基LED。普瑞光电用这项技术做了一只白炽灯泡拿去与日本东芝谈判，最终获得逾1亿美元的技术转让费。

持续升级技术

事业渐入佳境，孙钱却转身回国，于2011年加入了晶能光电。“晶能光电董事长伍伸俊与我在硅谷谈了三次，我就决定回来加盟，任职研发副总裁。”谈及回国时，孙钱笑着说，“出国了我才发现我还真的挺爱国的。回来也是出于另外一个私心，作为独生子女，我不想父母随我受离乡之苦，这对他们不公平。”

回国加入晶能光电后，孙钱再次对技术进行创新升级、多次迭代，成功研制出高光效的大尺寸硅衬底GaN基LED外延片。“采用AlN/Al1-xGaxN等应力控制层来彻底解决裂纹问题，实现高质量的硅上氮化镓薄膜和高亮度LED外延片。”孙钱介绍，“AlN/Al1-xGaxN应力控制层是有效利用GaN与Al(Ga)N之间的晶格失配在材料的高温生长过程中故意积累足够高的压应力，并以此来抵消材料生长完毕后降温过程中因热膨胀系数的失配而产生的张应力，从而避免裂纹的产生，而且生成的外延片很平整。”凭借该项技术，晶能光电成功实现了2英寸和4英寸硅衬底氮化镓大功率LED芯片的量产。

孙钱等人的贡献在于：构建了完整的技术链，实现了硅基氮化镓从材料外延生长到LED芯片工艺、结构制备、封装应用的技术和产品升级换代，使得材料质量、器件性能及可靠性、产品合格率及市场开拓都有了大幅度提升。2012年11月，国际半导体照明联盟(ISA)发布“全球半导体照明2012年度新闻”，晶能光电作为“全球首家量产硅衬底大功率LED芯片的公司”入选，排名第二，这正是国内外LED领域对硅衬底氮化镓基大功率LED的研发及其产业化成果的高度肯定。

从懵懵懂懂踏进半导体的大门，到干一行爱一行，孙钱十余年来一直从事宽禁带半导体GaN材料生长及器件制备研究。对此，孙钱表示，“我儿时的梦想是成为一名杰出的科学家，在逐梦的征程上，无论顺境逆境，不忘初心。”

“改变了目前日本日亚公司垄断蓝宝石衬底和美国CREE公司垄断碳化硅衬底LED照明芯片技术的局面，形成了蓝宝石、碳化硅、硅衬底半导体照明技术方案三足鼎立的局面。”这是十年前国家863专家组对硅衬底LED项目作出的评价。江风益和孙钱在接受采访时也都强调，基于各自的优势应用领域不同，硅衬底肯定不会取代另外两条路线，将来的业态是三种技术路线并存。

从技术创新及产业化角度而言，有产业经济学家在接受采访时表示，“该项技术的更重大意义在于：从高校创新到与产业资本合力，硅衬底LED项目不仅推动了技术链的创新，而且还同时进行了产业链的构建，这是一条非常漂亮的创新链条，或许是产学研的有效创新模式。”江风益一开始就突破常规，将研发与产业化紧密结合在了一起，2005年实验室产品完成后，江风益就带领团队于2006年成立了晶能光电，并引入金沙江创投等产业资本，开启了一边出产品、一边研发和改进性能的产业化征程。

产业鼎足之势将立，老少两代人的格局也不曾止步于荣誉，其各自开创的硅衬底技术路线也在不断发展、升级。“科研成果是思想和技术的多次碰撞结果，一个思想出来了，实施中如果技术没有优化就可能得出此路不通的结论，而任何一个技术不匹配都可能导致失败，好的思想+好的技术才能成功。”江风益在接受采访时感慨：“硅衬底LED还处于婴儿期，团队后续的研究也证实，其优化后的硅基图形化技术非常适合大功率LED外延生长与芯片制造，已经实现了大功率器件的实验室量产，即将进行产业化;接下来还将研发绿光、黄光LED，未来的目标是不需要荧光粉激发，到2020年直接实现100%硅衬底LED发光。”