晶能光电让中国“芯”点亮世界

文｜郑 波 赖永峰 刘志奇 刘 兴

迈过2020年，晶能光电（江西）有限公司CEO王敏再一次迎来荣耀时刻，疫情影响下，企业主营业务收入仍实现增长近七成。这是晶能光电投身硅衬底LED照明产业15年来，第一次实现如此大幅的增长。

王敏说：“自己上一次感受如此荣耀，还是2016年的事。那一年，晶能光电、南昌大学与晶和照明联合申报的‘硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管’项目，获得2015年度国家技术发明奖唯一的一等奖”。5年过去，王敏觉得很多事情都在改变。比如，现在国家大的营商环境好了很多，和前些年的磕磕绊绊相比，企业已经步入正轨，不再差那些“小钱”。不过王敏也不敢松懈，行业竞争更加激烈，资金、技术、人才、上下游产业配套、市场政策环境等，依旧是前进道路上必须应对的挑战。王敏说：“虽然手握尖端科技，但他们用了10多年的时间，也才刚刚入门”。这是王敏的感慨，也是很多手握核心科技的企业共同的感慨。

找到梦想的“支点”

“给我一个支点，我就能撬起整个地球。”这个“支点”是很多企业的梦想。2004年，当时还是南昌大学一名普通教授的江风益，在国际上率先攻克了硅衬底上生长氮化镓基LED材料的难题。王敏毫不犹豫地认为，他找到了梦想的“支点”。也是从那时起，王敏和他的师兄江风益商量着，搭起了晶能光电的最初“骨架”——与南昌大学成立昌大光电。为此，王敏向弟弟借了10万元人民币入股。我们的梦想是让‘中国芯’点亮整个世界。时至今日，回想起当年喊出的豪言壮语，王敏仍然掩饰不住脸上的自信，这份自信，源自硅衬底氮化镓基LED技术的独一无二。

这个技术有多了不起呢？在LED的制备上，上游材料生长是决定LED颜色、亮度、寿命等性能指标的主要因素，也是公认的半导体照明产业技术发展的基石。在硅衬底技术问世之前，LED制备已有两条技术路线实现产业化，一个是日本公司的蓝宝石衬底技术，另一个是美国公司发明的碳化硅衬底技术。在业界看来，这两条技术路线的优缺点都很明显。蓝宝石衬底强度高、耐冲刷，高温下化学性质稳定。不过，蓝宝石是绝缘体，无法制成垂直结构的器件。此外，蓝宝石硬度高，散热差，难以薄化和切割。所以，用蓝宝石衬底制作大功率LED，局限性很大。

碳化硅倒是克服了蓝宝石的这些毛病，材料属性上是导电的半导体，可以做垂直结构，导热性能也要比蓝宝石高10倍以上。不过，碳化硅技术门槛很高，成本同样很高。而硅衬底技术出现，恰好集中了两者优势，容易获得低成本、大尺寸、高质量的衬底，大幅降低LED造价。国家863专家组当时这样评价江风益团队的发明，这一技术改变了日本公司垄断蓝宝石衬底和美国公司垄断碳化硅衬底半导体照明技术的局面，形成了蓝宝石、碳化硅、硅基半导体照明技术方案三足鼎立的局面。硅作为衬底材料的优点很突出，但要在硅衬底上制备高光效LED芯片，却一直是个世界级难题。难在哪？王敏说，难在制备LED芯片先要在衬底上长出氮化镓发光薄膜，因为硅和氮化镓材料存在严重的热失配和晶格失配，各国研究者穷尽40余年钻研，迟迟没有找到攻克关键技术难点的理想方法，硅衬底这一技术路线也因此一度被业界宣判“死刑”。

2003年，江风益团队在尝试过多种新材料后，再次瞄准用硅衬底生长LED材料，决心奋力一搏。“我国是名副其实的LED产品制造大国，国内LED企业采用的蓝宝石技术路线，布满了国外LED巨头精心埋下的专利‘地雷’。过去许多企业为此吞下苦果，很大程度上阻碍了我国LED企业进入国际市场。”谈起初衷，王敏的话语里是沉甸甸的责任感，而在江风益看来，“硅衬底技术路线是中国有可能全面冲破国外专利封锁的绝好机遇”。科学探索有着自身规律，内含必然，又充满偶然。后来成为晶能光电投资人的潘晓峰曾这样比喻，“就像一副扑克牌里面一定有大王，但不会那么巧一翻牌就翻到。运气好可能第三张就翻到了，但也可能54张牌要翻到50张才能亮相”。也就是从江风益下定决心的那天起，南昌大学的半导体发光材料实验室里多出了一张床。江风益吃住在这里，每天十几个小时，“大学＋企业”一起产、学、研，轮轴转。前前后后历经3000多次科学实验，江风益团队终于翻到这张“大王”——在硅上成功生长出氮化镓发光薄膜，性能达到实用水平。“下一步，必须要产业化。我们没有理由再点洋半导体灯。”初尝喜悦成果的江风益憧憬着未来。

2005年实验室出样品，2006年创办晶能光电，2007年建工厂，2008年小批量试生产，2009年显示用小功率LED芯片量产，2012年大功率LED芯片量产……多年艰苦卓绝的攻关研发，晶能光电的硅衬底LED技术日臻成熟。更重要的是，以此技术为核心，晶能光电已申请和获得国际国内专利420多项，在LED外延生长、芯片制造、封装及应用等领域均有布局。2011年，美国麻省理工《科技创业》杂志评选的“全球最具创新力企业50强”中，晶能光电凭此与Apple、IBM等公司一同上榜；2012年，晶能硅衬底大功率LED芯片量产，被国际半导体照明联盟ISA评为“2012年度新闻事件”；2014年8月，美国能源部《固态照明研究与发展制造蓝图报告》中称，“晶能光电是硅衬底LED技术的最早实践者，并在2012年6月开始量产硅衬底GaN基LED芯片”；2016年，“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”项目获得国家技术发明奖一等奖……

逼出来的产业链

硅衬底技术对整个LED产业的影响无疑是深刻的。举个简单的例子，10多年前，高端智能手机闪光灯LED灯珠配件的价格曾高达每粒3美元，而随着硅衬底技术的出现，同样性能的闪光灯灯珠价格，已降至每粒0.5元以内。今天的晶能是资本市场的香饽饽，更是无数正处于成长阶段科创企业羡慕的对象。然而，所有伟大的背后，其实都是苦难。

2006年，晶能光电（江西）有限公司正式成立。江风益和王敏让中国芯点亮世界的梦想呱呱坠地。硅衬底氮化镓基LED技术迈出了产业化的第一步。在江风益的朴素理解中，科技成果的产业化，需要完成“0到1”“1到N”和“N到0”三个步骤，也就是先要解决科技成果有没有的问题，然后再把成果转化为N个合格产品，最后把N个产品归0，全部卖出去。从“1到N”这一步，晶能走得异常艰难。

“研发成功和实现量产是两个完全不同的阶段，在研发阶段，100个样品中有一个合格就算成功了，但实现产业化，你要保证很高的合格率，况且制作硅衬底LED芯片有十几道工序，每一道工序都会遇到形形色色的问题。”江风益说。以硅衬底加工为例，实验室阶段，由于产品数量少，用于硅衬底加工的液体浓度与时间都很容易掌控，而到了生产阶段，一方面浸泡的硅衬底数量多，环境的温度湿度变化很大；另一方面市场上缺少与硅衬底相匹配的设备，这就导致产品良率大幅下降。一开始，晶能的良率甚至只有5%，比在实验室的时候糟糕太多。看到结果的那一刻，王敏整个人都懵了。

开弓没有回头箭，王敏只能从市场上买回相近设备，摸索着一点点改造完善。没有可供参考的相关文献，没有可资借鉴的经验，每走一步都要摸着石头过河，解决了一个问题，又冒出了新的问题。“如果再来一次，真不知道能否坚持下来，好在见到了回报。”王敏说。从试制硅衬底小功率LED芯片到实现量产，晶能用了3年，然后又用了3年直到2012年，才实现大功率LED芯片规模化量产。经过10多年的工序改善和技术迭代，晶能产线如今的良率高而稳定。比如，晶能的手机闪光灯良率达到了4ppm（百万分之一）的水平，即每百万颗只允许4颗失效，甚至很多批次做到了0ppm，远好于行业要求的20ppm。

拿下一场场技术攻坚战难，比这更难的是“N到0”这最后一步。尽管深知产品质量过硬，但王敏仍然低估了市场对新鲜事物的排斥。按照王敏和江风益的规划，晶能在LED产业的长链中专注于上游LED芯片的生产，至于中下游的芯片封装以及照明应用，虽然市场很大，但应当由中下游厂商来进行，这样才能形成良性的产业链闭环。现实情况却是，中下游企业对晶能的好东西并不“感冒”。彼时，中游封装企业基本采用的是主流蓝宝石衬底芯片，设备也是根据蓝宝石衬底芯片特点设计。好不容易说服一些封装企业试水，受工艺条件不同带来的限制，很难将硅衬底芯片的优势发挥出来。而下游照明应用企业，也早已习惯了使用成熟的蓝宝石衬底LED灯珠，担心晶能的硅衬底芯片一旦供应不上，自己跟着“完蛋”。通过南昌市政府的支持，晶能倒是拿下了几个市政照明改造项目。产品使用后，各项工况指标、节能效果反馈都很不错，南昌八一大桥、紫阳大道上的路灯好多年都没有坏，大家都说好。

但等晶能满怀信心开拓更大市场时，王敏发现，市场上愿意“吃螃蟹”的人还是太少，客户指定要用成熟的蓝宝石衬底产品居多，不少还指定要用国外品牌，晶能有时连投标资格都轮不到。“在国家鼓励进口替代的大环境下，有不少地方招标书上依然指定国外品牌产品，即便国产LED产品性能比国外产品还好。”王敏说。晶能只能自己想办法突围。10年时间，愣是被逼出来一条完整的产业链：上游的晶能光电是全球排名前列的大功率LED光源提供商；中游封装的晶能半导体是中国最大的大功率LED陶瓷封装企业；下游的中节能晶和科技是全国最大的道路照明合同能源管理运营厂商，其LED隧道灯2020年出货量全国最大；绿野汽车照明是国内领先的汽车照明灯具厂家……

“我们新研制的产品跟别人不一样，要说服客户采用，而客户要等市场验证，谁都不愿意做‘小白鼠’，所以我们做起来就特别难。如果当初不果断建立这些示范企业，我们可能会更加困难。”王敏说，正是在这些企业的示范下，晶能现在才逐步有了340多家硅衬底LED客户。

资本联姻之路

回顾这些年的创业经历，王敏时常觉得自己站到了风口上。但事实上，风并没有来。和许多科创企业一样，除了要面对市场对新生事物的排斥，竞争对手有意无意地打压，缺钱是困扰晶能的又一大难题。王敏说，自始至终，晶能都卡在钱上。巨额的科研成本、高端人才的引进、公司的运营、市场的营销，还有打造的全产业链，都需要靠巨额资金支撑，“当时，我们心里想着，‘靓女’不愁嫁，钱应当主动来找我们才对，没想到根本不是这么回事”。

钱从哪里来？王敏首先想到了银行。银行的回答是，新技术能不能产业化，大家心里都没有底，没有抵押物，万一贷款打了水漂，谁也承担不起责任。王敏于是想到了国内的一些投资基金。彼时国内投资基金刚刚兴起，但谈了一圈下来，王敏发现，这些基金除了考虑产业化的可行性，计算更多的还有回收周期、资本回报率，根本等不了晶能慢慢研发产品，恨不得第二年就收回投资。王敏还想到找政府，“省、市政府给的支持很多，给政策、给优惠，评定高新技术企业，还有各种补贴”。但这些支持并不“解渴”，因为与同处LED赛道上的蓝宝石技术路线企业相比，这些企业依靠先发优势，进一步取得规模优势，并因此获得了海量的资金投入。晶能既要保持技术上的领先，又要在残酷的市场竞争中赢得一席之地，需要巨额的产业化投入，即便有政府资助往往也是杯水车薪。王敏是个执着的人，缺钱的困难并没有影响王敏逢人便介绍硅衬底LED的耐心。

一个人锲而不舍地专注于一件事，终究是会打动人的。王敏一次偶然的蹭饭，成就了晶能与风投的联姻。其中最为关键的风投来自王敏的浙大校友——潘晓峰和几位实业家联合成立的金沙江创投。那时，潘晓峰刚从国际知名的高科技实业公司抽身转做了风投，愿景很宏大，目标是在中国成就世界级的科技企业。当然，潘晓峰也很谨慎，一年里，他带着不同专家前前后后跑到南昌大学实验室不下50趟。金沙江最后决定一笔投出1000万美元，占了当时基金规模的十分之一。潘晓峰说，“技术本身的创新很重要，但当时我们更多想到的是这个创新，特别是原创技术的溢出效应，它能带动后面一群产业，这才是我们投这个项目的意义”。以金沙江为起点，晶能光电先后吸引了新加坡淡马锡基金、美国梅菲尔德基金、国际金融公司（IFC）等风投，陆续获得了风险投资1.95亿美元。王敏说，这时，晶能才第一次真正看到了产业化成功的曙光。

看得见的未来

“国家要给予上游硬核科技更多的支持。创新驱动发展，上游芯片要做成很大的规模很难，但它是这条产业链的核心基础，其可带动中游和下游大规模发展。”让王敏和江风益尤其振奋的是，在硅衬底LED技术迈步前进之时，全球LED产业格局正发生翻天覆地的变化，随着世界主流LED厂商，如美国Lumileds（亮锐）从Philips（飞利浦）集团剥离、德国Osram（欧司朗）照明业务Ledvance（朗德万斯）改嫁中国、LG（乐金）出售LED业务，中国LED逐渐成为全球LED制造担当。

在国家硅基LED工程研究中心，一盏盏金黄光LED灯随着外部光线的变化，懂得自适应调节亮度。江风益介绍，这是硅衬底LED技术的新产品——采用硅衬底黄光LED芯片做成的健康光源。目前，硅衬底黄光LED（565nm＠20A/cm2）电光转换效率达到27.9%，中国又一次处于世界领先水平。“硅衬底GaN技术是一项根技术，它可以延伸出多条产业链分支，LED领域虽然较为成熟，但根据美国能源部发布的LED照明研发路线图，蓝光、绿光、黄光、红光等LED依然还有很大的提升空间，还有更多更难的技术要突破；同时微显示（MicroLED）和GaN HEMT两个前沿技术，硅衬底也有优势和基础。”江风益说。而王敏的兴奋则在于，“GaN作为第三代半导体材料，不仅是LED发光的重要材料，也是5G传输、新基建、手机和新能源汽车快充、雷达航空等产业必不可少的核心器件——GaNHEMT器件的基础材料。”王敏说，早在2013年，晶能就开始在国家“863”计划的支持下，开展硅衬底GaNHEMT器件材料研究。目前，晶能可以在8英寸硅衬底上生长HEMT器件用的GaN材料，同样跑在了行业前列。

在晶能光电产品展厅，王敏经常会拿起一块小屏，向参观者展示他心中的“未来之光”。这块样品屏，用的是晶能最新技术产品——硅衬底mini LED芯片。“我们硅衬底LED的结构，从物理本质上解决了离子迁移等困扰业界的问题，但这不是终点，我们还在做硅衬底Micro LED，这是终极显示技术，可以发挥硅衬底垂直结构的优势，目前江风益团队在Micro LED红光材料方面已有突破性进展。”