田靜

孫錢博士長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)體外延生長的豐富經(jīng)驗。

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

孫錢博士曾在美國加州硅谷的普瑞光電公司（Bridgelux Inc.）任外延研發(fā)科學(xué)家，負責(zé)8英寸硅襯底上外延生長高質(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到160流明/瓦，目前仍處于世界領(lǐng)先水平。

他在回國后短短的一年半內(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)，并通過與晶能光電有限公司的產(chǎn)學(xué)研合作在全球率先實現(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到140流明/瓦。

孫錢博士是中組部首批國家“青年千人計劃”特聘專家，現(xiàn)任中國科學(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科技大學(xué)本科畢業(yè)，獲得材料物理和計算機科學(xué)與技術(shù)雙學(xué)士學(xué)位，并以全系排名第一的成績獲得中科大最高獎“郭沫若校長獎”，經(jīng)免試推薦到中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所攻讀碩士學(xué)位，師從楊輝所長，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個系排名第一，2009年博士畢業(yè)時榮獲耶魯大學(xué)工學(xué)院最高獎“Becton獎”。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)量無裂紋氮化鎵材料的外延生長、非極性和半極性氮化鎵的材料生長及LED制備、納米多孔氮化鎵的制備及其應(yīng)用等多個科研項目，申請并獲得美國能源部、美國自然科學(xué)基金及工業(yè)界的多項科研資助。2010年6月，孫錢來到美國加州硅谷的普瑞光電公司，任外延研發(fā)科學(xué)家，負責(zé)8英寸硅襯底上外延生長高質(zhì)量氮化鎵基LED，取得了豐碩的科研創(chuàng)新成果，實現(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，目前國內(nèi)外市場上LED半導(dǎo)體晶片的制備，大多數(shù)都采用藍寶石或碳化硅襯底來外延生長寬帶隙半導(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，以及具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、可利用IC行業(yè)折舊的設(shè)備工藝線等優(yōu)點。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)界的一個夢想。但硅襯底上外延生長高質(zhì)量氮化鎵有著諸多技術(shù)難點：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程中因硅襯底向外的拉扯而受到巨大的張應(yīng)力，進而產(chǎn)生裂紋；第三，金屬鎵直接與硅表面接觸時會發(fā)生化學(xué)回融反應(yīng)，破壞隨后的外延生長；第四，高溫外延過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、多孔硅襯底以及對硅襯底表面進行刻槽處理等多種方法在硅襯底上外延生長氮化鎵薄膜。但是上述方法最終都因為這樣或那樣的問題而無法實現(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)，通過在高溫外延生長時積累足夠的壓應(yīng)力來抵消降溫過程中因熱膨脹系數(shù)的差異而引起的張應(yīng)力，從而在硅襯底上真正實現(xiàn)無裂紋的高質(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，一個世界性難題在一個年輕的中國學(xué)者孫錢面前迎刃而解！隨后，他進一步研發(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，掀起了國際半導(dǎo)體企業(yè)巨頭（包括臺積電TSMC、韓國三星、LG、日本東芝、德國奧斯朗、飛利浦、臺灣晶元光電等）對硅襯底氮化鎵基LED的研究熱潮。

這項技術(shù)的研發(fā)突破，孫錢花了不到一年時間。當(dāng)時的孫錢在美國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)，開始時主要是他一個人努力在做實驗研究，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)團隊的支持和配合，基本上每兩三周硅襯底LED的性能就有一個飛躍。

回國發(fā)展 再創(chuàng)輝煌

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

2011年，孫錢放棄了美國加州硅谷如日中天的事業(yè)和舒適的生活環(huán)境，告別加州燦爛的陽光，毅然回到祖國?；貒?，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)平均光效達到140流明/瓦。2012年11月，晶能光電作為通過“全球首家量產(chǎn)硅基大功率LED芯片的公司”入選國際半導(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”。這是國內(nèi)外同行對孫錢博士負責(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)合實驗室研發(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，硅襯底材料價格只有藍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間而提高生產(chǎn)效率，擴大產(chǎn)能，降低每個芯片所分攤的設(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，極為適合晶圓級的熒光粉直涂和二次光學(xué)的匹配，進而可大幅度降低下游封裝及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的制造成本，推進半導(dǎo)體照明時代。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毫安下光效已達到125流明/瓦，良率接近80%，預(yù)計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)競爭的日益加劇，LED照明產(chǎn)業(yè)將會出現(xiàn)一次大的行業(yè)整合。國內(nèi)LED上下游產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)該聯(lián)合相關(guān)的研究所及院校實驗室，以市場為導(dǎo)向，結(jié)合企業(yè)的發(fā)展需求進行實質(zhì)性的產(chǎn)學(xué)研合作，形成我國LED技術(shù)開發(fā)合作聯(lián)盟，通過競爭前的技術(shù)共享來迅速提升國產(chǎn)LED產(chǎn)品的競爭力，聯(lián)合保護大陸照明市場并拉動行業(yè)的健康整合，從而打造我國自主知識產(chǎn)權(quán)的LED照明品牌。”孫錢博士最后說。