田靜

孫錢博士長(zhǎng)期致力于氮化鎵半導(dǎo)體材料和器件的研究，有著十余年氮化物半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)的豐富經(jīng)驗(yàn)。

他曾在美國(guó)耶魯大學(xué)深造，期間的科研成果在耶魯大學(xué)工學(xué)院5個(gè)系排名第一，榮獲耶魯大學(xué)工學(xué)院最高獎(jiǎng)Becton獎(jiǎng)。

孫錢博士曾在美國(guó)加州硅谷的普瑞光電公司（Bridgelux Inc.）任外延研發(fā)科學(xué)家，負(fù)責(zé)8英寸硅襯底上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵基LED，取得了豐碩的科研創(chuàng)新成果，研制的60mil硅襯底氮化鎵基LED在350毫安電流下的光效達(dá)到160流明/瓦，目前仍處于世界領(lǐng)先水平。

他在回國(guó)后短短的一年半內(nèi)開發(fā)出新一代的硅襯底氮化鎵基LED外延及垂直結(jié)構(gòu)芯片工藝技術(shù)，并通過(guò)與晶能光電有限公司的產(chǎn)學(xué)研合作在全球率先實(shí)現(xiàn)了硅襯底氮化鎵基大功率LED的真正量產(chǎn)，45mil芯片在350毫安電流下的平均光效達(dá)到140流明/瓦。

孫錢博士是中組部首批國(guó)家“青年千人計(jì)劃”特聘專家，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員、博導(dǎo)，兼任晶能光電有限公司的硅襯底LED研發(fā)副總裁。

解決世界難題

2002年，孫錢提前一年從中國(guó)科技大學(xué)本科畢業(yè)，獲得材料物理和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)雙學(xué)士學(xué)位，并以全系排名第一的成績(jī)獲得中科大最高獎(jiǎng)“郭沫若校長(zhǎng)獎(jiǎng)”，經(jīng)免試推薦到中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所攻讀碩士學(xué)位，師從楊輝所長(zhǎng)，從此開始了他氮化物半導(dǎo)體的科研征程。2005年，孫錢到美國(guó)耶魯大學(xué)深造，其讀博期間的科研成果在耶魯大學(xué)工學(xué)院5個(gè)系排名第一，2009年博士畢業(yè)時(shí)榮獲耶魯大學(xué)工學(xué)院最高獎(jiǎng)“Becton獎(jiǎng)”。在耶魯大學(xué)學(xué)習(xí)和工作期間，他曾承擔(dān)和參與了硅襯底上高質(zhì)量無(wú)裂紋氮化鎵材料的外延生長(zhǎng)、非極性和半極性氮化鎵的材料生長(zhǎng)及LED制備、納米多孔氮化鎵的制備及其應(yīng)用等多個(gè)科研項(xiàng)目，申請(qǐng)并獲得美國(guó)能源部、美國(guó)自然科學(xué)基金及工業(yè)界的多項(xiàng)科研資助。2010年6月，孫錢來(lái)到美國(guó)加州硅谷的普瑞光電公司，任外延研發(fā)科學(xué)家，負(fù)責(zé)8英寸硅襯底上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵基LED，取得了豐碩的科研創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)了160流明/瓦的超高光效，目前仍處于世界領(lǐng)先水平。

孫錢博士告訴我們，目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上LED半導(dǎo)體晶片的制備，大多數(shù)都采用藍(lán)寶石或碳化硅襯底來(lái)外延生長(zhǎng)寬帶隙半導(dǎo)體氮化鎵（GaN），相關(guān)的核心技術(shù)專利已被歐美及日本所壟斷。硅是目前微電子行業(yè)最廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，也可作為氮化鎵基LED的異質(zhì)外延襯底。硅作襯底具有原料成本低廉、晶圓尺寸大、散熱性能好、襯底剝奪容易，以及具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、可利用IC行業(yè)折舊的設(shè)備工藝線等優(yōu)點(diǎn)。硅與氮化鎵半導(dǎo)體的高質(zhì)量結(jié)合一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個(gè)夢(mèng)想。但硅襯底上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵有著諸多技術(shù)難點(diǎn)：第一，硅與氮化鎵之間17%的晶格失配常造成很高密度的缺陷，嚴(yán)重影響材料質(zhì)量和LED器件的光效等性能；第二，氮化鎵的熱膨脹系數(shù)是硅的兩倍，氮化鎵外延薄膜在降溫過(guò)程中因硅襯底向外的拉扯而受到巨大的張應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋；第三，金屬鎵直接與硅表面接觸時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)回融反應(yīng)，破壞隨后的外延生長(zhǎng)；第四，高溫外延過(guò)程中片子的翹曲度通常較大，影響外延片的溫度均勻性。

為了克服上述晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配等技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外同行嘗試了AlN插入層技術(shù)、SOI柔性襯底、多孔硅襯底以及對(duì)硅襯底表面進(jìn)行刻槽處理等多種方法在硅襯底上外延生長(zhǎng)氮化鎵薄膜。但是上述方法最終都因?yàn)檫@樣或那樣的問(wèn)題而無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。孫錢博士在此前研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出利用多層AlGaN緩沖層技術(shù)，通過(guò)在高溫外延生長(zhǎng)時(shí)積累足夠的壓應(yīng)力來(lái)抵消降溫過(guò)程中因熱膨脹系數(shù)的差異而引起的張應(yīng)力，從而在硅襯底上真正實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋的高質(zhì)量氮化鎵薄膜，并具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。就這樣，一個(gè)世界性難題在一個(gè)年輕的中國(guó)學(xué)者孫錢面前迎刃而解！隨后，他進(jìn)一步研發(fā)出適合硅上氮化鎵的多量子阱發(fā)光有源區(qū)和PN結(jié)摻雜，最終開拓出一條硅襯底氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)LED的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

2011年8月，美國(guó)硅谷的普瑞光電公司在8英寸硅襯底上研發(fā)出高光效氮化鎵基LED，取得了與藍(lán)寶石及碳化硅襯底上頂尖水平的LED器件性能相媲美的發(fā)光效率160流明/瓦。此消息一出，即在工業(yè)界、投資界及學(xué)術(shù)界引起巨大反響，掀起了國(guó)際半導(dǎo)體企業(yè)巨頭（包括臺(tái)積電TSMC、韓國(guó)三星、LG、日本東芝、德國(guó)奧斯朗、飛利浦、臺(tái)灣晶元光電等）對(duì)硅襯底氮化鎵基LED的研究熱潮。

這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)突破，孫錢花了不到一年時(shí)間。當(dāng)時(shí)的孫錢在美國(guó)普瑞光電公司任外延科學(xué)家，從事8英寸硅襯底上氮化鎵基LED的外延研發(fā)，開始時(shí)主要是他一個(gè)人努力在做實(shí)驗(yàn)研究，難度和挑戰(zhàn)可想而知。但在取得135流明/瓦的初步結(jié)果后，就得到了公司相關(guān)團(tuán)隊(duì)的支持和配合，基本上每?jī)扇芄枰r底LED的性能就有一個(gè)飛躍。

回國(guó)發(fā)展 再創(chuàng)輝煌

眾所周知，美國(guó)加州硅谷的科研環(huán)境、物質(zhì)生活條件十分優(yōu)越，但是孫錢無(wú)時(shí)無(wú)刻不在思念著自己的祖國(guó)。一個(gè)念頭始終縈繞在他心頭：自己從一個(gè)窮苦留學(xué)生成長(zhǎng)為今天享有一定聲譽(yù)的學(xué)者，每一步都離不開國(guó)家培養(yǎng)，滴水之恩當(dāng)涌泉相報(bào)?！耙粋€(gè)人在國(guó)內(nèi)，愛國(guó)情緒常常隱藏在心靈深處，平常覺察不到，而在國(guó)外，它像一根敏感的神經(jīng)，一點(diǎn)兒刺激就會(huì)把這種深藏的感情激發(fā)起來(lái)。”孫錢博士說(shuō)。

2011年，孫錢放棄了美國(guó)加州硅谷如日中天的事業(yè)和舒適的生活環(huán)境，告別加州燦爛的陽(yáng)光，毅然回到祖國(guó)?；貒?guó)后，他就馬不停蹄地開展了超高光效LED、激光器、氮化鎵基功率電子器件等的研發(fā)；與晶能光電有限公司進(jìn)行深入的產(chǎn)學(xué)研合作，開發(fā)出新一代應(yīng)力控制層和LED外延及垂直結(jié)構(gòu)芯片工藝技術(shù)，并且成功實(shí)現(xiàn)了2英寸硅襯底氮化鎵基大功率LED芯片的量產(chǎn)，面積為1平方毫米的芯片在350毫安下，生產(chǎn)平均光效達(dá)到140流明/瓦。2012年11月，晶能光電作為通過(guò)“全球首家量產(chǎn)硅基大功率LED芯片的公司”入選國(guó)際半導(dǎo)體照明聯(lián)盟（ISA）發(fā)布的“全球半導(dǎo)體照明2012年度新聞”。這是國(guó)內(nèi)外同行對(duì)孫錢博士負(fù)責(zé)的硅襯底氮化鎵基大功率LED的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化成果的高度肯定。

之后，孫錢博士一鼓作氣，在中科院蘇州納米所—晶能光電聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出6英寸硅襯底氮化鎵基LED外延及垂直結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)。與傳統(tǒng)的藍(lán)寶石和碳化硅襯底LED技術(shù)相比，硅襯底氮化鎵基LED的成本優(yōu)勢(shì)在大尺寸晶圓下將更加突出（成本有望下降50%以上）。首先，在晶圓尺寸增大到6英寸以上，硅襯底材料價(jià)格只有藍(lán)寶石平片襯底的十分之一左右；其次，外延從目前主流的2英寸升級(jí)到6英寸晶圓，有用半導(dǎo)體面積增加近50%，在幾乎不增加氣體及MO源等原材料的基礎(chǔ)上可增產(chǎn)近50%的LED芯片；第三，當(dāng)晶圓尺寸增大到6英寸以上，可大幅度縮短芯片工藝時(shí)間而提高生產(chǎn)效率，擴(kuò)大產(chǎn)能，降低每個(gè)芯片所分?jǐn)偟脑O(shè)備折舊和人工成本；第四，可利用已完全或部分折舊的6英寸硅半導(dǎo)體工藝線來(lái)制備硅襯底LED芯片。此外，硅襯底LED為垂直結(jié)構(gòu)薄膜芯片，具有散熱好、單面出光且均勻等優(yōu)點(diǎn)，極為適合晶圓級(jí)的熒光粉直涂和二次光學(xué)的匹配，進(jìn)而可大幅度降低下游封裝及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的制造成本，推進(jìn)半導(dǎo)體照明時(shí)代。目前，6英寸硅襯底LED外延及垂直結(jié)構(gòu)芯片工藝技術(shù)的研發(fā)已基本完成，面積為1平方毫米的芯片在350毫安下光效已達(dá)到125流明/瓦，良率接近80%，預(yù)計(jì)明年上半年光效將提升到160流明/瓦以上。

“隨著全球LED行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，LED照明產(chǎn)業(yè)將會(huì)出現(xiàn)一次大的行業(yè)整合。國(guó)內(nèi)LED上下游產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)該聯(lián)合相關(guān)的研究所及院校實(shí)驗(yàn)室，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，結(jié)合企業(yè)的發(fā)展需求進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的產(chǎn)學(xué)研合作，形成我國(guó)LED技術(shù)開發(fā)合作聯(lián)盟，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)前的技術(shù)共享來(lái)迅速提升國(guó)產(chǎn)LED產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，聯(lián)合保護(hù)大陸照明市場(chǎng)并拉動(dòng)行業(yè)的健康整合，從而打造我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LED照明品牌。”孫錢博士最后說(shuō)。