晶能光電讓中國“芯”點亮世界

文｜鄭 波 賴永峰 劉志奇 劉 興

邁過2020年，晶能光電（江西）有限公司CEO王敏再一次迎來榮耀時刻，疫情影響下，企業主營業務收入仍實現增長近七成。這是晶能光電投身硅襯底LED照明產業15年來，第一次實現如此大幅的增長。

王敏說：“自己上一次感受如此榮耀，還是2016年的事。那一年，晶能光電、南昌大學與晶和照明聯合申報的‘硅襯底高光效GaN基藍色發光二極管’項目，獲得2015年度國家技術發明獎唯一的一等獎”。5年過去，王敏覺得很多事情都在改變。比如，現在國家大的營商環境好了很多，和前些年的磕磕絆絆相比，企業已經步入正軌，不再差那些“小錢”。不過王敏也不敢松懈，行業競爭更加激烈，資金、技術、人才、上下游產業配套、市場政策環境等，依舊是前進道路上必須應對的挑戰。王敏說：“雖然手握尖端科技，但他們用了10多年的時間，也才剛剛入門”。這是王敏的感慨，也是很多手握核心科技的企業共同的感慨。

找到夢想的“支點”

“給我一個支點，我就能撬起整個地球。”這個“支點”是很多企業的夢想。2004年，當時還是南昌大學一名普通教授的江風益，在國際上率先攻克了硅襯底上生長氮化鎵基LED材料的難題。王敏毫不猶豫地認為，他找到了夢想的“支點”。也是從那時起，王敏和他的師兄江風益商量著，搭起了晶能光電的最初“骨架”——與南昌大學成立昌大光電。為此，王敏向弟弟借了10萬元人民幣入股。我們的夢想是讓‘中國芯’點亮整個世界。時至今日，回想起當年喊出的豪言壯語，王敏仍然掩飾不住臉上的自信，這份自信，源自硅襯底氮化鎵基LED技術的獨一無二。

這個技術有多了不起呢？在LED的制備上，上游材料生長是決定LED顏色、亮度、壽命等性能指標的主要因素，也是公認的半導體照明產業技術發展的基石。在硅襯底技術問世之前，LED制備已有兩條技術路線實現產業化，一個是日本公司的藍寶石襯底技術，另一個是美國公司發明的碳化硅襯底技術。在業界看來，這兩條技術路線的優缺點都很明顯。藍寶石襯底強度高、耐沖刷，高溫下化學性質穩定。不過，藍寶石是絕緣體，無法制成垂直結構的器件。此外，藍寶石硬度高，散熱差，難以薄化和切割。所以，用藍寶石襯底制作大功率LED，局限性很大。

碳化硅倒是克服了藍寶石的這些毛病，材料屬性上是導電的半導體，可以做垂直結構，導熱性能也要比藍寶石高10倍以上。不過，碳化硅技術門檻很高，成本同樣很高。而硅襯底技術出現，恰好集中了兩者優勢，容易獲得低成本、大尺寸、高質量的襯底，大幅降低LED造價。國家863專家組當時這樣評價江風益團隊的發明，這一技術改變了日本公司壟斷藍寶石襯底和美國公司壟斷碳化硅襯底半導體照明技術的局面，形成了藍寶石、碳化硅、硅基半導體照明技術方案三足鼎立的局面。硅作為襯底材料的優點很突出，但要在硅襯底上制備高光效LED芯片，卻一直是個世界級難題。難在哪？王敏說，難在制備LED芯片先要在襯底上長出氮化鎵發光薄膜，因為硅和氮化鎵材料存在嚴重的熱失配和晶格失配，各國研究者窮盡40余年鉆研，遲遲沒有找到攻克關鍵技術難點的理想方法，硅襯底這一技術路線也因此一度被業界宣判“死刑”。

2003年，江風益團隊在嘗試過多種新材料后，再次瞄準用硅襯底生長LED材料，決心奮力一搏。“我國是名副其實的LED產品制造大國，國內LED企業采用的藍寶石技術路線，布滿了國外LED巨頭精心埋下的專利‘地雷’。過去許多企業為此吞下苦果，很大程度上阻礙了我國LED企業進入國際市場。”談起初衷，王敏的話語里是沉甸甸的責任感，而在江風益看來，“硅襯底技術路線是中國有可能全面沖破國外專利封鎖的絕好機遇”。科學探索有著自身規律，內含必然，又充滿偶然。后來成為晶能光電投資人的潘曉峰曾這樣比喻，“就像一副撲克牌里面一定有大王，但不會那么巧一翻牌就翻到。運氣好可能第三張就翻到了，但也可能54張牌要翻到50張才能亮相”。也就是從江風益下定決心的那天起，南昌大學的半導體發光材料實驗室里多出了一張床。江風益吃住在這里，每天十幾個小時，“大學＋企業”一起產、學、研，輪軸轉。前前后后歷經3000多次科學實驗，江風益團隊終于翻到這張“大王”——在硅上成功生長出氮化鎵發光薄膜，性能達到實用水平。“下一步，必須要產業化。我們沒有理由再點洋半導體燈。”初嘗喜悅成果的江風益憧憬著未來。

2005年實驗室出樣品，2006年創辦晶能光電，2007年建工廠，2008年小批量試生產，2009年顯示用小功率LED芯片量產，2012年大功率LED芯片量產……多年艱苦卓絕的攻關研發，晶能光電的硅襯底LED技術日臻成熟。更重要的是，以此技術為核心，晶能光電已申請和獲得國際國內專利420多項，在LED外延生長、芯片制造、封裝及應用等領域均有布局。2011年，美國麻省理工《科技創業》雜志評選的“全球最具創新力企業50強”中，晶能光電憑此與Apple、IBM等公司一同上榜；2012年，晶能硅襯底大功率LED芯片量產，被國際半導體照明聯盟ISA評為“2012年度新聞事件”；2014年8月，美國能源部《固態照明研究與發展制造藍圖報告》中稱，“晶能光電是硅襯底LED技術的最早實踐者，并在2012年6月開始量產硅襯底GaN基LED芯片”；2016年，“硅襯底高光效GaN基藍色發光二極管”項目獲得國家技術發明獎一等獎……

逼出來的產業鏈

硅襯底技術對整個LED產業的影響無疑是深刻的。舉個簡單的例子，10多年前，高端智能手機閃光燈LED燈珠配件的價格曾高達每粒3美元，而隨著硅襯底技術的出現，同樣性能的閃光燈燈珠價格，已降至每粒0.5元以內。今天的晶能是資本市場的香餑餑，更是無數正處于成長階段科創企業羨慕的對象。然而，所有偉大的背后，其實都是苦難。

2006年，晶能光電（江西）有限公司正式成立。江風益和王敏讓中國芯點亮世界的夢想呱呱墜地。硅襯底氮化鎵基LED技術邁出了產業化的第一步。在江風益的樸素理解中，科技成果的產業化，需要完成“0到1”“1到N”和“N到0”三個步驟，也就是先要解決科技成果有沒有的問題，然后再把成果轉化為N個合格產品，最后把N個產品歸0，全部賣出去。從“1到N”這一步，晶能走得異常艱難。

“研發成功和實現量產是兩個完全不同的階段，在研發階段，100個樣品中有一個合格就算成功了，但實現產業化，你要保證很高的合格率，況且制作硅襯底LED芯片有十幾道工序，每一道工序都會遇到形形色色的問題。”江風益說。以硅襯底加工為例，實驗室階段，由于產品數量少，用于硅襯底加工的液體濃度與時間都很容易掌控，而到了生產階段，一方面浸泡的硅襯底數量多，環境的溫度濕度變化很大；另一方面市場上缺少與硅襯底相匹配的設備，這就導致產品良率大幅下降。一開始，晶能的良率甚至只有5%，比在實驗室的時候糟糕太多。看到結果的那一刻，王敏整個人都懵了。

開弓沒有回頭箭，王敏只能從市場上買回相近設備，摸索著一點點改造完善。沒有可供參考的相關文獻，沒有可資借鑒的經驗，每走一步都要摸著石頭過河，解決了一個問題，又冒出了新的問題。“如果再來一次，真不知道能否堅持下來，好在見到了回報。”王敏說。從試制硅襯底小功率LED芯片到實現量產，晶能用了3年，然后又用了3年直到2012年，才實現大功率LED芯片規模化量產。經過10多年的工序改善和技術迭代，晶能產線如今的良率高而穩定。比如，晶能的手機閃光燈良率達到了4ppm（百萬分之一）的水平，即每百萬顆只允許4顆失效，甚至很多批次做到了0ppm，遠好于行業要求的20ppm。

拿下一場場技術攻堅戰難，比這更難的是“N到0”這最后一步。盡管深知產品質量過硬，但王敏仍然低估了市場對新鮮事物的排斥。按照王敏和江風益的規劃，晶能在LED產業的長鏈中專注于上游LED芯片的生產，至于中下游的芯片封裝以及照明應用，雖然市場很大，但應當由中下游廠商來進行，這樣才能形成良性的產業鏈閉環。現實情況卻是，中下游企業對晶能的好東西并不“感冒”。彼時，中游封裝企業基本采用的是主流藍寶石襯底芯片，設備也是根據藍寶石襯底芯片特點設計。好不容易說服一些封裝企業試水，受工藝條件不同帶來的限制，很難將硅襯底芯片的優勢發揮出來。而下游照明應用企業，也早已習慣了使用成熟的藍寶石襯底LED燈珠，擔心晶能的硅襯底芯片一旦供應不上，自己跟著“完蛋”。通過南昌市政府的支持，晶能倒是拿下了幾個市政照明改造項目。產品使用后，各項工況指標、節能效果反饋都很不錯，南昌八一大橋、紫陽大道上的路燈好多年都沒有壞，大家都說好。

但等晶能滿懷信心開拓更大市場時，王敏發現，市場上愿意“吃螃蟹”的人還是太少，客戶指定要用成熟的藍寶石襯底產品居多，不少還指定要用國外品牌，晶能有時連投標資格都輪不到。“在國家鼓勵進口替代的大環境下，有不少地方招標書上依然指定國外品牌產品，即便國產LED產品性能比國外產品還好。”王敏說。晶能只能自己想辦法突圍。10年時間，愣是被逼出來一條完整的產業鏈：上游的晶能光電是全球排名前列的大功率LED光源提供商；中游封裝的晶能半導體是中國最大的大功率LED陶瓷封裝企業；下游的中節能晶和科技是全國最大的道路照明合同能源管理運營廠商，其LED隧道燈2020年出貨量全國最大；綠野汽車照明是國內領先的汽車照明燈具廠家……

“我們新研制的產品跟別人不一樣，要說服客戶采用，而客戶要等市場驗證，誰都不愿意做‘小白鼠’，所以我們做起來就特別難。如果當初不果斷建立這些示范企業，我們可能會更加困難。”王敏說，正是在這些企業的示范下，晶能現在才逐步有了340多家硅襯底LED客戶。

資本聯姻之路

回顧這些年的創業經歷，王敏時常覺得自己站到了風口上。但事實上，風并沒有來。和許多科創企業一樣，除了要面對市場對新生事物的排斥，競爭對手有意無意地打壓，缺錢是困擾晶能的又一大難題。王敏說，自始至終，晶能都卡在錢上。巨額的科研成本、高端人才的引進、公司的運營、市場的營銷，還有打造的全產業鏈，都需要靠巨額資金支撐，“當時，我們心里想著，‘靚女’不愁嫁，錢應當主動來找我們才對，沒想到根本不是這么回事”。

錢從哪里來？王敏首先想到了銀行。銀行的回答是，新技術能不能產業化，大家心里都沒有底，沒有抵押物，萬一貸款打了水漂，誰也承擔不起責任。王敏于是想到了國內的一些投資基金。彼時國內投資基金剛剛興起，但談了一圈下來，王敏發現，這些基金除了考慮產業化的可行性，計算更多的還有回收周期、資本回報率，根本等不了晶能慢慢研發產品，恨不得第二年就收回投資。王敏還想到找政府，“省、市政府給的支持很多，給政策、給優惠，評定高新技術企業，還有各種補貼”。但這些支持并不“解渴”，因為與同處LED賽道上的藍寶石技術路線企業相比，這些企業依靠先發優勢，進一步取得規模優勢，并因此獲得了海量的資金投入。晶能既要保持技術上的領先，又要在殘酷的市場競爭中贏得一席之地，需要巨額的產業化投入，即便有政府資助往往也是杯水車薪。王敏是個執著的人，缺錢的困難并沒有影響王敏逢人便介紹硅襯底LED的耐心。

一個人鍥而不舍地專注于一件事，終究是會打動人的。王敏一次偶然的蹭飯，成就了晶能與風投的聯姻。其中最為關鍵的風投來自王敏的浙大校友——潘曉峰和幾位實業家聯合成立的金沙江創投。那時，潘曉峰剛從國際知名的高科技實業公司抽身轉做了風投，愿景很宏大，目標是在中國成就世界級的科技企業。當然，潘曉峰也很謹慎，一年里，他帶著不同專家前前后后跑到南昌大學實驗室不下50趟。金沙江最后決定一筆投出1000萬美元，占了當時基金規模的十分之一。潘曉峰說，“技術本身的創新很重要，但當時我們更多想到的是這個創新，特別是原創技術的溢出效應，它能帶動后面一群產業，這才是我們投這個項目的意義”。以金沙江為起點，晶能光電先后吸引了新加坡淡馬錫基金、美國梅菲爾德基金、國際金融公司（IFC）等風投，陸續獲得了風險投資1.95億美元。王敏說，這時，晶能才第一次真正看到了產業化成功的曙光。

看得見的未來

“國家要給予上游硬核科技更多的支持。創新驅動發展，上游芯片要做成很大的規模很難，但它是這條產業鏈的核心基礎，其可帶動中游和下游大規模發展。”讓王敏和江風益尤其振奮的是，在硅襯底LED技術邁步前進之時，全球LED產業格局正發生翻天覆地的變化，隨著世界主流LED廠商，如美國Lumileds（亮銳）從Philips（飛利浦）集團剝離、德國Osram（歐司朗）照明業務Ledvance（朗德萬斯）改嫁中國、LG（樂金）出售LED業務，中國LED逐漸成為全球LED制造擔當。

在國家硅基LED工程研究中心，一盞盞金黃光LED燈隨著外部光線的變化，懂得自適應調節亮度。江風益介紹，這是硅襯底LED技術的新產品——采用硅襯底黃光LED芯片做成的健康光源。目前，硅襯底黃光LED（565nm＠20A/cm2）電光轉換效率達到27.9%，中國又一次處于世界領先水平。“硅襯底GaN技術是一項根技術，它可以延伸出多條產業鏈分支，LED領域雖然較為成熟，但根據美國能源部發布的LED照明研發路線圖，藍光、綠光、黃光、紅光等LED依然還有很大的提升空間，還有更多更難的技術要突破；同時微顯示（MicroLED）和GaN HEMT兩個前沿技術，硅襯底也有優勢和基礎。”江風益說。而王敏的興奮則在于，“GaN作為第三代半導體材料，不僅是LED發光的重要材料，也是5G傳輸、新基建、手機和新能源汽車快充、雷達航空等產業必不可少的核心器件——GaNHEMT器件的基礎材料。”王敏說，早在2013年，晶能就開始在國家“863”計劃的支持下，開展硅襯底GaNHEMT器件材料研究。目前，晶能可以在8英寸硅襯底上生長HEMT器件用的GaN材料，同樣跑在了行業前列。

在晶能光電產品展廳，王敏經常會拿起一塊小屏，向參觀者展示他心中的“未來之光”。這塊樣品屏，用的是晶能最新技術產品——硅襯底mini LED芯片。“我們硅襯底LED的結構，從物理本質上解決了離子遷移等困擾業界的問題，但這不是終點，我們還在做硅襯底Micro LED，這是終極顯示技術，可以發揮硅襯底垂直結構的優勢，目前江風益團隊在Micro LED紅光材料方面已有突破性進展。”