硅襯底技術助力我國半導體照明發(fā)展

    美國進步女記者安娜·路易斯·斯特朗有這樣一句名言：“與其咒罵黑暗，不如燃起一支明燭”。人類的征途從黑暗出發(fā)，卻永遠朝著光明前行。遠古時代驅逐野獸使用的火把，科技革命以來照亮千家萬戶的白熾燈都是人們追尋光明的最好證明。

    隨著對地球資源的進一步認識，人類并沒有滿足于現有的照明方法，相反仍在尋找更節(jié)能、更環(huán)保的“光明之源”，發(fā)光二極管正是在這種背景下“橫空出世”。其中摘得年度中國國家技術發(fā)明一等獎的“硅襯底高光效GaN基藍色發(fā)光二極管”技術為照明產業(yè)“舒筋活骨”，有望加速發(fā)光二極管的商業(yè)化進程。

    三條LED照明技術路線

    發(fā)光二極管，簡稱LED，是一種能直接將電能轉化為可見光的固態(tài)半導體器件。它的核心結構是一個半導體晶片，晶片一端負極一端正極，整體被環(huán)氧樹脂包裹。發(fā)電原理在于晶片內部P型半導體和N型半導體構成P-N結，當電流通過導線時，電子就會從N區(qū)被推向P區(qū)，并以光子的形式發(fā)出能量，產生亮光。

    目前，LED照明產業(yè)是國內外重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產業(yè)，總體來說有這樣三條技術路線：藍寶石襯底、碳化硅襯底和硅襯底。藍寶石襯底是由日本科學家提出，三位發(fā)明者還榮獲了2014年諾貝爾物理學獎。它的優(yōu)勢在于生產技術成熟、器件質量較好;藍寶石本身穩(wěn)定性好，能夠適應高溫過程;此外藍寶石機械強度高，易于處理和清洗，因此藍寶石襯底成了主流選擇。

    第二條技術道路是碳化硅襯底，也被稱作“貴族路線”，價格高昂，主要貢獻者獲得美國總統(tǒng)技術發(fā)明獎。碳化硅是繼第一代硅、鍺和第二代砷化鎵等材料之后的第三代新型半導體材料。作為襯底材料，它的應用廣泛程度僅次于藍寶石，具有化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等優(yōu)點。這種襯底能夠較好解決散熱問題，在半導體照明技術領域具有重要地位。

    硅襯底路線由我國南昌大學與晶能廣電公司的科研工作者提出，與藍寶石和碳化硅相比，硅具有低成本、大尺寸、高質量、可導電等優(yōu)點，被認為是最具前途的藍光LED襯底材料。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是水平接觸和垂直接觸，可稱L型電極和V型電極。兩種電極決定了在硅襯底LED芯片內部，電流既可以橫向流動，也可以縱向流動。而縱向流動可以增大LED的發(fā)光面積，提高二極管出光效率。此外硅又是導熱良體，器件的導熱性因硅襯底而提升，二極管的使用壽命顯著延長，可以說高效環(huán)保“兩不誤”，市場前景“有看頭”。

    半導體照明將有助于推廣“光通信”新型高速數據傳輸技術

    硅襯底LED燈的研發(fā)難道僅僅只解決了照明問題嗎?并不是，半導體是一種介于絕緣體和導體之間的材料，只要條件適宜就能完成“雙重角色轉化”。應用潛力巨大決定了發(fā)光二極管的研究進展勢必刮起一股連帶效應，而這其中，最顯眼的莫過于“光通信”技術。

    提到“光通信”，最容易聯想到的典故是“烽火戲諸侯”，然而千萬別以為這里說的是光纖通信。它全稱是“可見光通信技術”，指利用可見光波段作為信息載體。與LED燈“相遇”后，“光通信”技術有望成為利用半導體照明的光線實現“有光照就能上網”的新型高速數據傳輸技術。

    據悉，全球約有440億盞燈具，由此構成了一個巨大的照明網絡。硅襯底LED燈具有顯著節(jié)能減排價值，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源節(jié)電40%至80%。只要發(fā)光二極管內增添一個微芯片，節(jié)能光源“秒變”無線網絡發(fā)射器，數百億的LED照明設備將構筑一個巨大的可見光通信網。

    可以設想，未來每盞燈都可以成為一個高速網絡熱點，轎車、巴士、高鐵、甚至飛機上都可以借助LED光源高速上網。一些熱議中的概念，如室內網、物聯網、車聯網、工業(yè)4.0、智慧城市、包括國防通信在內都能在“光通信”網絡中得到“實惠”。硅襯底LED燈為“互聯網+”的實現提供了一種廉價的接入方法，并且由于它的節(jié)能環(huán)保，在新一輪硬件更新潮流之前就帶來了“綠色紅包”!

    硅襯底技術路線是唯一有可能沖破國外專利封鎖的機會

    主流技術路線早已確立，特色技術路線也已成型，硅襯底LED燈的“顏值”難道只有醒目的“省錢”二字嗎?也不是。我國是名副其實的LED產品制造大國，而這一技術的研發(fā)令國際市場形成了“三足鼎立”的穩(wěn)定局面。

    過去，由于美日國公司長期壟斷前兩種照明技術，國內LED企業(yè)限于價格障礙又多采用藍寶石技術路線，這其中布滿了LED巨頭精心埋下的專利地雷。上世紀90年代，美日企業(yè)為DVD專利激烈廝殺的場景歷歷在目，過去10年，許多國內的LED企業(yè)重蹈覆轍，為此吞下苦果。硅襯底研究團隊認為，國外LED大廠“放水養(yǎng)魚”的功夫爐火純青，專利大戰(zhàn)隨時可能一觸即發(fā)。此時出場的硅襯底技術路線無疑是“及時雨”，成為“唯一有可能沖破國外專利封鎖的機會”。

    縱觀LED發(fā)展史，美國公司最先開發(fā)出可見光LED，而日本企業(yè)則借助中村修二的氮化鎵研究獲得了藍光LED。如今我國校企合作研發(fā)硅襯底技術，LED發(fā)展之路上有了第三面國旗，不得不說“科技無國界”!

    展望未來十年，硅襯底節(jié)能LED燈，很可能取代普通日照燈和傳統(tǒng)LED燈，走入千家萬戶。如前所述，可見光通信技術搭載LED燈，將有效突破無線電頻譜承載能力，造就下一代無線電通信技術。<