张国义：十年磨一剑

点燃中国氮化物蓝光LED火苗

张国义与半导体照明产业间的缘分还得从一种神奇的物质“氮化镓”材料说起。氮化镓单晶体，人们目前为止还没有发现有天然GaN晶体材料存在，它必须在实验室才能获得，作为一种直接带隙材料，与AlN, InN共同构成组分三角形，可以合成三元系的InGaN，AiGaN，和四元系的AlInGaN材料，可制成高效蓝、绿光发光二极管和激光器，并可扩展到白光，将替代人类沿用至今的照明系统。人类从20世纪30年代已发现氮化物半导体具有这个性质，但长期以来由于氮化镓单晶制备特别困难，研发一直也未取得突破。

国内一些科研机构也对氮化镓材料的研发给予了持续的关注与投入。中科院长春物理所早在20世纪70年代末，就用气相外延的方法生长过氮化镓，但未取得成功。直到20世纪80年代末，日本利用MOCVD设备及两步生长法，获得了P型材料，攻破了半导体照明材料的核心技术PN结，开启了氮化镓应用在照明方面的大门。北大经过调研后，预感到氮化镓材料到了突破的时候，于是在1990年，张国义的课题组就开始在这个注定将改变照明历史的氮化物材料的研究，成为国内较早进入这一研究领域的研究团队。而此时，国际上氮化镓蓝光LED也没有研制成功。

课题启动之初，由于经费不足而困难重重。“在‘九五’期间，我们申请过863等项目的支持，尽管氮化镓未来前景很好，由于技术太前沿，全世界氮化物发光二级管都没有做出来，在这种背景下并没有得到支持。”张国义说。1994年，日本日亚公司用氮化镓材料做出蓝光LED发光管的样品。那年4月，张国义作为中国代表参加在日本举办的MOCVD国际会议，日本的一位教授送给了他两只在当时售价还很昂贵的氮化镓蓝光LED。消息传回国内立刻引起了国内科技界的重视，张国义的课题组也因此在1994年得到了国家自然科学基金资助。

“然而这个事真正做起来还是非常难的，在蓝宝石上面采用两步生长法真正的获得一个PN结在那个时候也不容易。氮化镓材料的n-型背景载流子浓度很高，一做就做到10的20次方以上，如果要做成P型首先要把这些都补偿掉，多余的才能变成P型。直到1995年我们才真正获得PN结材料。”张国义感慨道，课题组的研究成果当年也发表在APL和《中国应用物理快报》上，成为国内第一个发表关于PN结氮化镓发光管的文章，以后陆续研制出InGaN/GaN的双异质结蓝光LED，多量子阱蓝光LED。

张国义课题组的研究点燃了我国氮化物蓝光LED的火苗，国内也掀起了一股研究氮化物半导体的高潮，参与研发研究机构也逐渐多起来，直接推动了我国氮化物蓝光LED及相关产业的发展。

推进科研成果产业化 成立北大蓝光

1999年，经过近十年的研究，张国义对氮化镓蓝光LED的工艺有了更为清楚的了解，开始酝酿产业化。“科研成果只有产业化，才能显示其经济效益和社会效益，发挥出其真正的价值。”张国义说，氮化镓蓝光材料本身也具有重大的经济技术价值和市场前景，它的发展将对半导体LED产业和一大批相关产业有十分重要的带动作用。

当时，张国义的研究成果得到了一个美国公司的青睐。“那个美国公司要请整个团队先到国外进行产业化试验，待能够大批量生产的时候再转移到国内。”相对完美的方案及优厚条件，让一心想将技术推向市场的张国义感到心动，他再次面临着选择。“后来为了不让技术及人才流失，此条路径并未得到北京大学的支持，于是他们开始寻求国内的合作对象。”张国义表示。

1999年底，北大开始与黑龙江大正集团谈判准备一起合资成立一个LED芯片生产公司。随后，张江创投和张江高科也加入到投资者队伍里。在几方多次谈判下，共同成立 “上海北大蓝光科技有限公司”。北大蓝光也成为我国首家专营氮化物高亮度发光材料和器件的公司，填补了我国这一领域的空白。

“2000年开始筹建建厂，基础建设基本上都是北大帮助其做，尽管存在很多困难，但2001年北大蓝光相关的进口设备就开始安装了。到2002年3月，北大蓝光的蓝光LED开始进行小批量的生产。到2003年，北大蓝光在管理、规模、人才引进上都比较成熟了，我们才回到北大。”张国义说，“后来蓝光经过增资扩股，根据国务院的规定要求才把‘北大’从公司名称中去掉了。”

“如今，上海蓝光经过十多年的发展，上海本部资产已有几个亿，随后彩虹集团的加盟，为上海蓝光的发展，提供了更为迅速的发展机会，而且在合肥投资新建了二十多个亿的彩虹蓝光生产线，规模和技术都有了很大提升。至今北大与蓝光依然从研发到生产保持着密切的联系。”张国义表示。

转战同质外延氮化镓衬底并产业化

衬底材料的选用是制作LED芯片首先要考虑的问题。目前市面上一般将蓝宝石，硅，碳化硅这三种材料作为生产氮化镓材料衬底。“随着LED芯片技术的不断成熟，整个行业的逐渐发展，衬底的需求量将越来越大。”颇具发展眼光的张国义预感到未来市场的需求点，再次作出战略性的决策转战衬底研究。

“尽管在蓝宝石等材料上都可以生长出氮化镓材料，但这些毕竟不是最好的方法，从理论上考虑，最终的发展方向肯定是同质外延氮化镓衬底，到那时生长工艺会发生很大改变，也不会受现有专利的限制。”张国义表示，用氮化镓单晶材料作为衬底，还可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。

“最开始考虑做氮化镓衬底可以追溯到1997年，当时就招了一个博士研究生搭建了一台生长氮化镓衬底的HVPE设备， 1999年我也承担了氮化镓衬底项目的研究。在‘十一五’期间，我们也负责863计划‘半导体照明工程’重大项目课题‘GaN基同质衬底外延材料生长技术’。”长时间的关注与研究，让张国义在氮化镓同质外延衬底方面的研究取得了显著的成果与进展，开发出了高质量GaN衬底的制备和表面处理技术，通过优化LED外延结构、芯片结构和工艺过程，掌握了可重复的高质量GaN衬底及同质外延的核心技术。

根据未来产业发展趋势，自2008年开始，北京大学也开始酝酿将半导体氮化镓衬底材料产业化，并于2009年与广东光大企业集团进行洽谈，同年正式签署合作协议。2009年1月，东莞市中镓半导体科技有限公司正式注册成立。“中镓衬底的发展会相对当时发展蓝光芯片来说会容易一些，现在资金比较宽裕，技术力量也更雄厚。”张国义表示，这条路线是自己考虑的一个长远方向，因为用氮化镓单晶衬底到目前为止价格还太高，针对LED照明这种要广泛使用的器件其成本还不能被接受。

为了降低成本并达到同质外延的目的，张国义也开辟出了一条新路径——在蓝宝石上制备氮化镓复合衬底。“首先在蓝宝石上面生长十微米厚度的氮化镓并用它衬底，再在氮化镓表面上生长氮化镓，这可以称得上广义的或准同质的外延。然后采用激光剥离技术，将GaN材料转移到其它支撑衬底材料上，如Si衬底或金属基片上，进而制备竖直结构LED。”张国义表示，这项技术既满足了同质外延的概念，蓝宝石衬底还可以重复利用，让材料得到最大程度的节省，会大大降低成本。

“目前复合衬底的理念还有些超前，很多芯片生产公司还处于研发阶段。复合衬底达到批量化生产还有一个过程，中镓现阶段面对市场的主要还是图形衬底和激光剥离设备，随着复合衬底技术的发展，激光剥离技术将来也会有很大的市场。”张国义表示，作为专业的衬底公司，这种另辟蹊径的做法既避开了强硬的竞争对手，同时也为做芯片企业提供了具有竞争力的产品，等到复合衬底起来时候，中镓就会迎来一次真正的飞跃。

回首这些年将科研成果成功产业化的过程，张国义感叹道：科研成果产业化是长期科研成果积累的结果，是比科研更为艰难的过程，在选好方向后一定要坚持，如果不是较早切入LED蓝光氮化物的研发并推进其产业化就不可能有上海蓝光，在衬底方面如果没有这么多年的积累，那么也不会有如今的中镓，相信上海蓝光和中镓未来一定会有很好的发展前景。

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记者：您在科研化的道路中，是如何准确预测未来产业发展路线并为之不断付出的?

张国义：选择研究哪一个方向，需要对整个行业国内外的发展有比较透彻的理解，然后再做出决策，这就是一个战略性的决策，如果自己选择的道路做了很多年但最后发现此路不通，那么多年的努力就会付之一炬。

记者：那您一般是通过何种途径得知国内外产业发展最前沿信息的?

张国义：文献上的信息会比研发要晚半年，国际会议上的信息会比较前沿。我们比较注重展开国际合作交流，在这方面北大做得非常多的，国际上有四大氮化物半导体的国际会议我们已经举办过两个，2015年超千人的国际氮化物半导体国际会议(ICNS)也将由我们举办，会议将提供丰富的信息。像国内的中国国际半导体照明论坛我们也会积极的参与，关注产业发展态势及趋势。

记者：您认为半导体照明产业未来的主要发展方向是怎样的?

张国义：LED真正发展到老百姓都能用的时候，LED技术应该像傻瓜相机似的，不能总占领高技术领域，而最后一定是一个生产型的技术，所有的设备，一般工程人员都能操作，成本也能真正降低到老百姓能够接受的程度，这也是半导体照明的发展方向。

记者：随着产能的释放，您认为未来半导体照明企业的赢利空间在哪?

张国义：目前很多人都担心产能过剩，我认为这个问题的关键在于市场扩展的程度，如果市场不能打开，产能过剩是必然趋势。目前，核心的问题是降低成本。未来半导体照明企业要有一个心理准备，随着利润空间缩小，企业要多在规模和经营管理上下功夫。

记者：您认为未来十年中国半导体照明产业在上游材料方面应该在哪些方面进行突破?

张国义：上游的材料主要有三大块：高纯氨、衬底、有机源，我感觉衬底和有机元会协调发展，南大光电在有机源方面的投入力度很大，现在高纯氨在整体上发展还不太够，进口的比重比较大。有两种解决途径：第一种是做高纯处氨的厂家直接将纯度提纯到7个9，第二是发展终端纯化技术，减轻高纯氨企业的压力。

记者：随着市场的扩大，衬底会出现供不应求的情况么?

张国义：供不应求的现象不会出现：第一，目前生产蓝宝石衬底的企业越来越多，很多企业的产能并未得到释放;第二，新产品的研发进度在不断加快，随着硅衬底技术的成熟，会将很大一部分的蓝宝石衬底取代;第三，复合衬底也是今后发展的一大趋势，所以不会出现供不应求的现象。反而价格会有一个很大的下降空间。

记者：在设备的研发方面您有些怎样的建议?

张国义：中国大陆新一轮买设备的趋势在延缓，研发设备的厂家在增多。我认为能不能做好，关键看有没有创新的理念，与德国与美国的设备在原理上、设计上都能有所区别，避开专利，此外还要有雄厚的资本实力。企业最终能否赢利，也得看研发出来的设备是否优于现有的设备，要不也只能是一种浪费。

记者：您认为未来十年市场的渗透率主要取决于什么?

张国义：2015年前将主要取决与政府的扶持，扶持的力度大，那么市场将会发展很快，如支持力度小，打开将会比较慢。而之后，则是随着技术的不断发展成熟，走向标准化，渗透率会自然而然加大。

记者：您认为中国半导体照明产业最关键的是什么?

张国义：抓两头带中间，一是向高端外延芯片发展，注重技术的提升，这决定了我们国家在未来是制造大国还是制造强国。目前无论是在哪一个领域上，我们都没有称得上国际领先的技术，那么必须有选择性的在某些方面进行突破。二是市场决定了这个行业是健康发展，还是倒闭一批企业。如果市场起不来，中国不用到“十二五”末，就会倒闭一大批企业。如果市场发展起来了，技术上不去，也只能是给国外企业创造机会。因此政府应当同时注重技术提升和市场开拓两方面的投入。