打造中国自主品牌的硅衬底氮化镓基LED产品

田静

孙钱博士长期致力于氮化镓半导体材料和器件的研究，有着十余年氮化物半导体外延生长的丰富经验。

他曾在美国耶鲁大学深造，期间的科研成果在耶鲁大学工学院5个系排名第一，荣获耶鲁大学工学院最高奖Becton奖。

孙钱博士曾在美国加州硅谷的普瑞光电公司（Bridgelux Inc.）任外延研发科学家，负责8英寸硅衬底上外延生长高质量氮化镓基LED，取得了丰硕的科研创新成果，研制的60mil硅衬底氮化镓基LED在350毫安电流下的光效达到160流明/瓦，目前仍处于世界领先水平。

他在回国后短短的一年半内开发出新一代的硅衬底氮化镓基LED外延及垂直结构芯片工艺技术，并通过与晶能光电有限公司的产学研合作在全球率先实现了硅衬底氮化镓基大功率LED的真正量产，45mil芯片在350毫安电流下的平均光效达到140流明/瓦。

孙钱博士是中组部首批国家“青年千人计划”特聘专家，现任中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博导，兼任晶能光电有限公司的硅衬底LED研发副总裁。

解决世界难题

2002年，孙钱提前一年从中国科技大学本科毕业，获得材料物理和计算机科学与技术双学士学位，并以全系排名第一的成绩获得中科大最高奖“郭沫若校长奖”，经免试推荐到中国科学院半导体研究所攻读硕士学位，师从杨辉所长，从此开始了他氮化物半导体的科研征程。2005年，孙钱到美国耶鲁大学深造，其读博期间的科研成果在耶鲁大学工学院5个系排名第一，2009年博士毕业时荣获耶鲁大学工学院最高奖“Becton奖”。在耶鲁大学学习和工作期间，他曾承担和参与了硅衬底上高质量无裂纹氮化镓材料的外延生长、非极性和半极性氮化镓的材料生长及LED制备、纳米多孔氮化镓的制备及其应用等多个科研项目，申请并获得美国能源部、美国自然科学基金及工业界的多项科研资助。2010年6月，孙钱来到美国加州硅谷的普瑞光电公司，任外延研发科学家，负责8英寸硅衬底上外延生长高质量氮化镓基LED，取得了丰硕的科研创新成果，实现了160流明/瓦的超高光效，目前仍处于世界领先水平。

孙钱博士告诉我们，目前国内外市场上LED半导体晶片的制备，大多数都采用蓝宝石或碳化硅衬底来外延生长宽带隙半导体氮化镓（GaN），相关的核心技术专利已被欧美及日本所垄断。硅是目前微电子行业最广泛应用的半导体材料，也可作为氮化镓基LED的异质外延衬底。硅作衬底具有原料成本低廉、晶圆尺寸大、散热性能好、衬底剥夺容易，以及具有我国自主知识产权、可利用IC行业折旧的设备工艺线等优点。硅与氮化镓半导体的高质量结合一直是学术界和工业界的一个梦想。但硅衬底上外延生长高质量氮化镓有着诸多技术难点：第一，硅与氮化镓之间17%的晶格失配常造成很高密度的缺陷，严重影响材料质量和LED器件的光效等性能；第二，氮化镓的热膨胀系数是硅的两倍，氮化镓外延薄膜在降温过程中因硅衬底向外的拉扯而受到巨大的张应力，进而产生裂纹；第三，金属镓直接与硅表面接触时会发生化学回融反应，破坏随后的外延生长；第四，高温外延过程中片子的翘曲度通常较大，影响外延片的温度均匀性。

为了克服上述晶格常数和热膨胀系数失配等技术难题，国内外同行尝试了AlN插入层技术、SOI柔性衬底、多孔硅衬底以及对硅衬底表面进行刻槽处理等多种方法在硅衬底上外延生长氮化镓薄膜。但是上述方法最终都因为这样或那样的问题而无法实现产业化。孙钱博士在此前研究的基础上，创造性地提出利用多层AlGaN缓冲层技术，通过在高温外延生长时积累足够的压应力来抵消降温过程中因热膨胀系数的差异而引起的张应力，从而在硅衬底上真正实现无裂纹的高质量氮化镓薄膜，并具有很好的重复性和稳定性。就这样，一个世界性难题在一个年轻的中国学者孙钱面前迎刃而解！随后，他进一步研发出适合硅上氮化镓的多量子阱发光有源区和PN结掺杂，最终开拓出一条硅衬底氮化镓基垂直结构LED的产业化技术。

2011年8月，美国硅谷的普瑞光电公司在8英寸硅衬底上研发出高光效氮化镓基LED，取得了与蓝宝石及碳化硅衬底上顶尖水平的LED器件性能相媲美的发光效率160流明/瓦。此消息一出，即在工业界、投资界及学术界引起巨大反响，掀起了国际半导体企业巨头（包括台积电TSMC、韩国三星、LG、日本东芝、德国奥斯朗、飞利浦、台湾晶元光电等）对硅衬底氮化镓基LED的研究热潮。

这项技术的研发突破，孙钱花了不到一年时间。当时的孙钱在美国普瑞光电公司任外延科学家，从事8英寸硅衬底上氮化镓基LED的外延研发，开始时主要是他一个人努力在做实验研究，难度和挑战可想而知。但在取得135流明/瓦的初步结果后，就得到了公司相关团队的支持和配合，基本上每两三周硅衬底LED的性能就有一个飞跃。

回国发展 再创辉煌

众所周知，美国加州硅谷的科研环境、物质生活条件十分优越，但是孙钱无时无刻不在思念着自己的祖国。一个念头始终萦绕在他心头：自己从一个穷苦留学生成长为今天享有一定声誉的学者，每一步都离不开国家培养，滴水之恩当涌泉相报。“一个人在国内，爱国情绪常常隐藏在心灵深处，平常觉察不到，而在国外，它像一根敏感的神经，一点儿刺激就会把这种深藏的感情激发起来。”孙钱博士说。

2011年，孙钱放弃了美国加州硅谷如日中天的事业和舒适的生活环境，告别加州灿烂的阳光，毅然回到祖国。回国后，他就马不停蹄地开展了超高光效LED、激光器、氮化镓基功率电子器件等的研发；与晶能光电有限公司进行深入的产学研合作，开发出新一代应力控制层和LED外延及垂直结构芯片工艺技术，并且成功实现了2英寸硅衬底氮化镓基大功率LED芯片的量产，面积为1平方毫米的芯片在350毫安下，生产平均光效达到140流明/瓦。2012年11月，晶能光电作为通过“全球首家量产硅基大功率LED芯片的公司”入选国际半导体照明联盟（ISA）发布的“全球半导体照明2012年度新闻”。这是国内外同行对孙钱博士负责的硅衬底氮化镓基大功率LED的研发及产业化成果的高度肯定。

之后，孙钱博士一鼓作气，在中科院苏州纳米所—晶能光电联合实验室研发出6英寸硅衬底氮化镓基LED外延及垂直结构芯片技术。与传统的蓝宝石和碳化硅衬底LED技术相比，硅衬底氮化镓基LED的成本优势在大尺寸晶圆下将更加突出（成本有望下降50%以上）。首先，在晶圆尺寸增大到6英寸以上，硅衬底材料价格只有蓝宝石平片衬底的十分之一左右；其次，外延从目前主流的2英寸升级到6英寸晶圆，有用半导体面积增加近50%，在几乎不增加气体及MO源等原材料的基础上可增产近50%的LED芯片；第三，当晶圆尺寸增大到6英寸以上，可大幅度缩短芯片工艺时间而提高生产效率，扩大产能，降低每个芯片所分摊的设备折旧和人工成本；第四，可利用已完全或部分折旧的6英寸硅半导体工艺线来制备硅衬底LED芯片。此外，硅衬底LED为垂直结构薄膜芯片，具有散热好、单面出光且均匀等优点，极为适合晶圆级的荧光粉直涂和二次光学的匹配，进而可大幅度降低下游封装及应用产业的制造成本，推进半导体照明时代。目前，6英寸硅衬底LED外延及垂直结构芯片工艺技术的研发已基本完成，面积为1平方毫米的芯片在350毫安下光效已达到125流明/瓦，良率接近80%，预计明年上半年光效将提升到160流明/瓦以上。

“随着全球LED行业竞争的日益加剧，LED照明产业将会出现一次大的行业整合。国内LED上下游产业链应该联合相关的研究所及院校实验室，以市场为导向，结合企业的发展需求进行实质性的产学研合作，形成我国LED技术开发合作联盟，通过竞争前的技术共享来迅速提升国产LED产品的竞争力，联合保护大陆照明市场并拉动行业的健康整合，从而打造我国自主知识产权的LED照明品牌。”孙钱博士最后说。