甘子钊：氮化镓基LED研究的实践与探索

中国半导体照明产业发展特别快。在这种情况下，要注意吸取历史教训。历史上包括改革开放以后，我们很多新兴产业并不是启动的太晚，但因为没有联合起来，最后落后了，例如光纤通讯。希望在大家的共同努力下，这个实验室的建立能真正的发挥作用，争取吸取失败的教训，做大半导体照明。我希望大家带着责任感来做，争取在核心技术上有所突破。”在2011年8月召开的半导体照明联合创新国家重点实验室(筹)工作汇报会上，甘子钊院士对半导体照明产业的未来发展提出了殷切的期望。

        上世纪90年代初，时任北大物理系主任的甘子钊，带领研发团队开始了氮化镓基蓝光LED的研发工作，取得了重要成果，并参与了早期的产业化。而从研究方向的选定到参与生产实践，这一路走来充满艰辛，在开展氮化镓基LED研究的同时也见证着中国半导体照明“从无到有，从大到小”的发展历程。

        岁月流逝，尽管已不在科研一线，但甘子钊院士一直心系产业，关注产业发展。时至今日，半导体照明已经取得了重大发展，但在甘子钊院士看来，现在还不是“居安”的时候，产业发展仍然面临着重重困难和挑战，需要业界保持理性和警惕。

“被动”中开始的研究

        “抱着尝试的心态，我们开始了氮化发光二极管的研发工作。可以说，北大物理系在这方面工作的开展，开始是有些被动的。”甘子钊院士回忆说。

        北大物理系在半导体领域的研究有很长的历史，其发展历程显示，1956年，根据国家科学发展规划的需要，集中北京大学、复旦大学、南京大学、厦门大学、吉林大学五校师生到北大物理系，在黄昆(世界著名物理学家、中国固体和半导体物理学奠基人之一)、谢希德教授(著名物理学家、教育家，我国半导体物理学的开拓者之一)的主持下，创办了我国第一个半导体专业。创办后三年内培养出的两百余名学生成为我国新兴半导体事业的第一批骨干，对我国从无到有的建立和发展半导体科学技术工业体系起到了重要作用。

        上世纪90年代初，北大物理系思考半导体的研究方向，甘子钊院士时任系主任，那时依托北京大学的人工微结构和介观物理国家重点实验室开始建设，得到了一些科研经费。“当时经费还很少，我们决定从经费中拿出部分资金买台MOCVD设备做些化合物半导体的研究，购买的是中科院长春物理所自主研发的MOCVD设备。”对于当时的情况，甘子钊院士记忆犹新，伴随着这台设备的到来，参与设备研制的张国义(现任北京大学物理学院教授)也来到北大物理系攻读博士后学位。

        不过，设备到达之后，研究方向依然悬而未决，“最初原本打算做砷化镓方面的研究，但当时系里无论是设备水平还是经费实力都很难与中科院半导体和物理所相比，他们在砷化镓方面的研究实力更强大，所以我们不太适合再做这方面的研究”，甘子钊院士表示，这也意味着需要继续寻找合适的方向。

        从当时的国际背景来看，20世纪80年代末90年代初，日本的中村修二已开始了其蓝色发光二极管的研究，其成果也被报道，其中，1992年其试制出双异质结结构的GaN发光二极管，并证实发光情况，同年实现双异质结结构GaN发光二极管的高亮度化。

        了解到中村修二的一些研究成果，系里一些同志找到了甘子钊院士，“有同志来找我，说这是个方向或许可以尝试一下，这个同志还特地复印了报道的材料给我。”虽然从一些资料来看，氮化镓的样品并不好，位错密度也高，但发光效率却不错，这位同志的建议引起了甘子钊院士的注意，他找到具体负责的同志商量，同时也征询了张国义的意见，抱着尝试的心态，北大物理系开始了氮化镓基蓝光发光二极管的研发工作。“可以说，北大物理系在这方面工作的开展，开始是有些被动的”，回想起这段开始的经历，甘子钊院士笑着说。

        彼时国际上还没有白光，而且红光、黄绿光都已可以制备，只是缺乏蓝光，而关于蓝光，国际上流行的说法是采用二六族材料来制备，采用氮化镓制备蓝光是一种比较新的方法。在北大物理系开始氮化镓制备蓝光发光二极管的研究后，国际上的文献报道也慢慢多了起来。“氮化镓的样品质量不如砷化镓，但发光效率却比较高，这是一个科学上的问题，当时做这个研究，一开始跟生产并没有什么关系，只是作为基础问题进行研究。”甘子钊院士说。

初期产业化的尝试

        “既然做了，就要做到底，要有实际的成果，就像黄昆先生说过的，应用方面的技术，最怕的就是搞文章上的应用，千万不能搞纸面应用，不要回避工艺问题，也不能只是写文章”，甘子钊院士说。

        虽然开始了氮化镓蓝光LED的研究工作，但1996年以前北大物理系并没有任何相关课题，在当时科研经费紧张的情况下，北大物理系在该研究上投入了很多，一直到1996、1997年可以申请到基金。

        甘子钊院士表示，中国是一个大国，在中国开展这样的研究，目标不能是写出几篇论文，要研究就要认真的搞好工艺，真正做出蓝光发光二极管。随着时间的推移，在这之后，白光LED的制备成为关注点。

        1998年左右，甘子钊院士给国家科委(1998年更名为“科学技术部”)写了封信，指出，目前国际上出现白光的制备方法，非常有道理，中国是人口大国，这个问题国内需要考虑，可以尝试去做。

        “由于我也是超导的首席科学家(注：国家超导专家委员会首席专家)，为了避免这封信被分到跟超导有关的部门，我还特地在信的开头说明，这封信说的不是超导。”谈到当时的这个小插曲，甘子钊院士笑了起来，而在他关注到氮化镓制备白光LED这个问题的同时，863的光电子课题组也开始关注该问题，1996年我国“九五”计划正式启动，就将“让我国LED工业发展起来”作为其中的一项重要任务，并首先选定在材料领域设立一个重大项目，即后来的“半导体照明工程”重大项目。

        20世纪90年代末，北大物理系采用蓝光芯片加荧光粉的方式研发出了白光，虽然方式仍然比较简陋(用毛笔沾着荧光粉涂抹)，但总算还是看到了白光，研究人员们都非常兴奋。

        此后，技术水平不断改进和提升，北大物理系也转变了思路，不是仅仅停留在科研层面，而是开始寻找合作方，希望可以试点建设生产线进行生产，推向市场。

        在寻找合作方的过程中，技术受到了黑龙江省大正投资集团的关注，在几方多次谈判下，最终于2000年，由黑龙江大正投资集团、北京大学、上海张江创业投资有限公司、上海张江高科股份有限公司等几家投资人共同出资7000万元成立了一家高新技术企业(当时名为“上海北大蓝光科技有限公司”，2004年更名为“上海蓝光科技有限公司”)，从事氮化基LED外延片、芯片研发和产业化生产，北大蓝光成为我国首家专营氮化物高亮度发光材料和器件的公司。

        当时，北大方面指派了5位同志参与工作，其中甘子钊院士是名誉董事长，而张国义是技术负责人，虽然院校是以科研为主，但公司成立后的思想也非常明确，就是不以科研为主，而是认真抓生产。

        “北京大学是以技术股的形式参股，为此我们还立下了一个‘军令状’，当时来看压力还是很大的，我到现在还记得很清楚”，甘子钊院士笑着提起了当时立下的“军令状”，按照当时设备以及技术情况，北大方面需要实现一天可提供10万个管芯的能力，技术所占的股份才算成立，“当时想问题是比较实际的，我们也在合同上签了字，到2004年，我们完成了任务，通过了认可和公证”，而这也成为北大物理系早期参与LED产业化的经历。

        在甘子钊院士看来，当时北大物理系选中氮化镓基LED的研究方向，并取得成果，一方面是看中氮化镓基LED的发展可能，另一方面团队也是重要的一环。其研究道路也相对正统，无论是研发工作的开始还是与大正集团的合作都是经过学校批准，没有什么企业行为，当时参与该工作的同志，都依旧还在北大。

        总结这段经历，甘子钊院士表示，虽然开始了化合物半导体的研究，但最初是研究的思想居多，想法比较简单，只是从已有的条件下开始一点一点做。1998年以后认识到白光LED的可能，后来受到更多重视，再到后来国家半导体照明工程启动，半导体照明的发展加速。

发展产业需继续保持理性

        “LED幸运的赶上了好的发展潮流，较早的进入到了替换传统照明的阶段，但要意识到还有很多问题待解决，面临的国际竞争也很残酷，各界人士要冷静的思考，沉住气，现在还不是‘居安’的时候，这一路走来不容易，一定要打好基础，慢慢走。”

        任何技术从基础研发走向大规模应用，都需要很长的过程，包括氮化镓白光LED，其发展也是一个科学问题，其中有些问题到现在也没有完全解决。

        “半导体照明非常幸运赶上了世界发展的潮流，今后的道路还很长，还会面临很多问题，需要行业内的人保持冷静”，对于当前半导体照明产业的发展，甘子钊院士如是表示。从技术上来讲，我国的基础研究依然还需要加强，半导体照明发展水平与发达国家还是有差距，尤其高端技术和设备领域还有差距。从应用的角度，半导体照明也面临很大的挑战，“老百姓用的东西，性价比一定要过关，而这个性价比达到一定水平的过程是非常艰苦的”。

        半导体照明作为战略性新兴产业，受到了各方的关注，发展迅速，但由于产业发展速度与市场需求打开速度的不一致，导致出现了结构性产业产能过剩问题。从2011年下半年开始，整个行业面临很大的市场压力，今年以来市场状况转好，很多企业业绩转好。“总的来说，今年的情况会好转一些，但一定还是要理性、冷静，吸取之前的教训，正确认识当前的发展形势，防止出现恶性竞争，否则会变成灾难。”甘子院士一再表达自己对产业发展的提醒，经过此前一轮的投资投入，国内的MOCVD设备拥有量已经达到一定规模，如果再次出现像此前一轮大规模的投资、扩产，后果将不堪设想，对产业的打击也是巨大的。

        “我的建议是今后要从两方面加强，一是技术方面，要加强基本问题的研究，这里的基本问题既包括基础性研究、基础资料的积累、基本工艺的研究和积累，也包括整个队伍素质的提高。二是要充分估计形势的严峻性，国内从上到下，都要有理性的认识，要认识到练好内功，打好基础，把队伍组织好，是非常要害的事情。” 甘子钊院士表示，一些基础、前沿的研究，政府作为整个社会利益的代表还是应该多加支持。

        从国际上来看，我国半导体照明技术研发起步略晚，虽然与韩国、日本、中国台湾地区的差距在不断拉近，但仍有很大的进步空间。美国等西方发达国家，此前对于半导体照明的重视程度并不是很高，尤其是美国2008年经济危机后，就试图重返制造业。“美国在基础研究方面有很好的积累，如果在设备等方面有不同于当前路线的新突破，那么对国内半导体照明产业的打击将是致命的。”甘子钊院士指出。

        他是物理学家、中国科学院学部委员(院士)，也是国家超导专家委员会首席专家，国家“973”计划项目首席科学家，还曾任北京大学教授、北京大学物理系主任及固体物理研究所所长。从20世纪60年代初对半导体中隧道效应做了较好的工作，解决了锗中隧道过程的物理机理到70年代初在发展我国大能量气动激光上作出贡献再到80年代初发展了光在半导体中相干传播的理论，从事半导体物理、激光物理、固体理论研究的甘子钊院士在中国科学发展的进程中贡献了自己的力量，而他也与中国半导体照明发展有着不解之缘，在20世纪90年代初期，开始了氮化镓基LED的研发工作。

        时光荏苒，当年蹒跚中起步的半导体照明，已经进入蓬勃发展的新阶段，“产业发展要不跟风、不过热”，作为科学界的前辈，甘子钊院士一直在关注着这个年轻的产业，如同一位循循善诱的师长，不时提醒着产业要保持理性的走下去