科工力量：这项技术全球只有三条路线，美国、日本和中国

【文/观察者网专栏作者 科工力量】

这是一个1.42瓦的LED灯珠，单价1块5左右。

64颗这样的灯珠组合到一起，可以做成一盏100瓦的路灯，价格500元左右，照明效果跟额定250W的高压钠灯相当，按一晚上平均亮灯11小时计算，每天用电从3度减少到1度左右。如果是主路，原先要用额定400瓦的高压钠灯，现在可以用150瓦的LED灯替换，一晚上，要省3度电左右。

LED路灯 图源：搜狐科技

2018年，银川将350多条道路的4.5万盏高压钠灯替换为LED灯，运行至今已经6年，每年节约用电4840万度。

除此之外，高压钠灯只有1~2年使用寿命，LED的使用寿命一般在5万小时以上，基本可以用10多年。还有，LED灯的本质就是一组光电芯片，天生更容易与数字技术结合，更容易实现单灯控制和后台监控，运营和维护成本更低。

如果按10年周期算，换成LED灯省下的电费，扣除掉替换设备的成本后，一般可以有大量盈余。

我手里拿的这颗小小的氮化镓基灯珠，说它是凝聚了人类顶尖智慧的科技，一点都不夸张。

要制作出这样一颗灯珠，需要在衬底上生长出氮化镓发光薄膜，整个过程过于硬核，我们以后有机会再说。

单说衬底这个环节，目前只有三条技术路线，分属日本、美国、中国，都得到了各自国家的最高荣誉。

日本团队1993年发明蓝宝石衬底路线，随后20年，基于这条路线的LED技术和产业发展迅猛，成为目前市场上的主流，我们今天用的LED灯、LED电视和显示屏、手机的LED屏幕等等，大都是从这条根上长出来的。

日本科学家中村修二、赤崎勇领衔的团队，因此获得了2014年诺贝尔物理学奖，还有日本国内的天皇文化勋章。

不过，这条路线并不完美，首先，蓝宝石是绝缘体，硬度高，难以薄化、切割和剥离，导热性能也比较差，这些娘胎里带出来的特点，导致它无法制成垂直结构的器件，影响发光质量和效率，所以，用蓝宝石衬底制作大功率LED，局限性很大。

美国团队1995年发明的碳化硅衬底路线，在2003年获得美国总统技术奖。

碳化硅在材料属性上是导电的半导体，可以做垂直结构，发光质量好，导热性能也要比蓝宝石高10倍以上，改进了蓝宝石衬底技术的散热问题和晶体质量。

不过，碳化硅路线的硬伤是昂贵，被称为“贵族技术”，一则蓝宝石衬底路线具有先发优势，二则全球半导体产业过去20年向东亚集中，碳化硅路线难以靠低端产品上规模来降本。

南昌大学的江风益教授团队走通了第三条路：硅衬底，也因此获得中国国家技术发明奖一等奖。

硅作为衬底材料的先天优势很突出，兼具蓝宝石和碳化硅的优点，但要在硅衬底上制备高光效LED芯片却一直是个世界级难题。

因为硅和氮化镓材料存在严重的热失配和晶格失配，各国研究者穷尽40余年钻研，迟迟没有找到攻克关键技术难点的理想方法，尤其在前两条路线相继走通之后，硅衬底这一技术路线一度被业界宣判“死刑”。

不过，在中国这个LED制造大国，产业从根源上依赖日本或美国的路线，风险可想而知，国内有很多企业多年来采用蓝宝石路线，其中布满了国外巨头精心埋下的专利“地雷”，这一方面阻碍了中国LED产品和企业进入国际市场，另一方面，这些“地雷”即使不爆，也是一把达摩克利斯之剑，一直悬在头上。

江风益教授团队要排除的，就是这些地雷，在他的理解中，科研的目标跟产业化是统一的，总共需要完成“0到1”“1到N”和“N到0”三个步骤，先要解决科技成果有没有的问题，然后再把成果转化为N个合格产品，最后把N个产品归0，全部卖出去。

这种“以终为始”的思维，在企业界或许是常识，在高校里，还真是比较宝贵。

2003年起，江风益教授在南昌大学的半导体发光材料实验室里支起一张床，前前后后经历3000多次实验，终于在硅衬底上长出氮化镓发光薄膜。

2005年实验室出样品，2006年创办晶能光电，2007年建工厂，2008年小批量试生产，2009年显示用小功率LED芯片量产；

2011年，美国麻省理工《科技创业》杂志评选“全球最具创新力企业50强”，晶能光电与Apple、IBM一同上榜；

2012年，大功率LED芯片量产被国际半导体照明联盟（ISA）评为“2012年度新闻事件”；

一连串里程碑之后，我们有了从源头上完全自主可控的技术，整个行业的专利风险就减轻了，如果国外巨头还要上门来找蓝宝石路线的茬，一是要面临相关企业转向硅衬底路线的风险，第二个是他们自己也要掂量掂量，可能免不了以后也要用硅衬底路线做产品。比照中国通信行业，用5G时代的技术专利增量，破解了过去2G、3G时代国外的存量专利壁垒，差不多的意思。

插曲还真有，2016年，国外某知名公司高管带着律师函上门，声称我们侵犯知识产权，经过详细的技术探讨，对方只好礼貌地表示，欢迎良性竞争，兴师问罪变成一场茶杯里的风暴。

最终的扬眉吐气，每一步都来之不易。尤其是产业化过程，有着与实验室里不一样的艰难。

江风益和团队创办的晶能光电，最初只是一家校办企业，一开始只是想在产业长链中专注于上游LED芯片的生产，他们想当然地觉得，拥有了源头上的硬科技，又没有知识产权方面的风险，中下游的封装、照明应用企业自然会趋之若鹜，找上门来求合作。

现实情况却是，中下游企业不买单。

当时，中游封装企业基本采用主流蓝宝石衬底芯片，设备也是根据蓝宝石衬底芯片特点设计，大家好端端在赚钱，也没有谁来制裁我们，你突然上门，叫我们更改技术路线，不就意味着新的成本和风险。好不容易说服一些封装企业试水，受工艺条件不同带来的限制，一时也很难将硅衬底芯片的优势发挥出来。

下游照明应用企业呢？一样的，使用成熟的蓝宝石衬底已经跑通，改弦更张的话，一方面要担心得罪老的合作伙伴，另一方面，晶能的硅衬底芯片产能还要爬坡，货源还不稳定，一旦出问题，两头不落好。

今天，江西已经初步形成了一条光电产业上中下游的垂直产业链，看似是未雨绸缪，推动产业链补链延链走在了前面，实际上，都是被逼出来的。

产业中游，晶能是自己搞了一条陶瓷封装线做灯泡。

下游厂商还不配合怎么办？就从最小的切入点开始撬动，联合创始人王敏亲自带着销售团队进驻“手电筒之乡”，浙江宁波的西店镇，挨个拜访客户，为了展示硅衬底路线光源效率高、方向性好的特点，还做了一个能照2公里的超大手电筒，这才慢慢吸引到合作者。

起步阶段，除了手电筒，还有开头说的路灯，晶能光电的照明应用部门独立出来，成为央企中国节能的子公司晶和科技，逐渐摸索出一套以G端客户为主的合同能源管理业务模式。

在这种模式下，按一个长周期算，换新设备相比原先能够省下多少钱，这部分钱就归公司做利润，或者跟政府按一定比例分成。

这种模式硬桥硬马，最适合真正技术过硬，设备长期可靠的企业，目前，中节能晶和科技是全国最大的道路照明合同能源管理服务商，累计投运管理项目60多个，管理灯具总数超过65万盏，投运项目全运营期可实现节电约21亿度以上。

这个市场总量有多大呢？

根据住建部统计，中国城市道路照明灯数量在2017年是2593万盏，2021年增加到3234万盏，市场总体规模在5500亿。

其中，大约2/3使用的是传统的高压钠灯，按照2022年住建部和发改委出台的《城乡建设领域碳达峰实施方案》，到2030年LED灯的使用占比要超过80%，粗算一下，城市LED灯替换传统钠灯市场需求预计在1000万盏以上，这还不算县域和新农村建设的增量需求。

所以，单靠晶和科技一家是吃不过来的，现在，已经有更多其他企业来找晶和科技技术合作，产业生态也逐渐走上正轨。

所以说，硅衬底这条路线最终走通，起点是江风益教授团队在实验室中的努力，过程离不开晶能光电自己找市场、自建产业链的决心和努力，所以，国家技术发明奖一等奖的获得者其实有三方，分别是南昌大学江风益团队作为基础研究者；晶能光电（江西）作为产业中游；中节能晶和照明作为产业下游，三家联合获奖。

江风益（中）在国家科学技术奖励大会上 图源：南昌大学官网

国家863专家组当时这样评价：这一技术改变了日本公司垄断蓝宝石衬底和美国公司垄断碳化硅衬底半导体照明技术的局面，形成了蓝宝石、碳化硅、硅基半导体照明技术方案“三足鼎立”的局面。

这一整棵科技树的枝叶，当然不止手电筒和路灯。

十几年前，高端智能手机闪光灯的LED灯珠，要卖到3美元一颗，因为硅衬底路线打通，同样性能的灯珠，降到5毛钱人民币一颗，现在全球每3部手机，就有一部使用硅衬底技术的闪光灯。

前面提到过一个能照2公里的手电筒，这是因为相比蓝宝石衬底技术，硅衬底产品的电流分布均匀、扩散快，单面出光，方向性好，光品质好，所以特别适合汽车大灯、探照灯、矿灯等等对光品质要求比较高的高端照明。

附加值更高的领域是LED显示，中日韩之间长达20多年的显示面板博弈，现在已经渐渐来到收官阶段，三星虽然仍是老大，但已经退出传统LED面板而专攻OLED，这是另一个大的话题，我们有机会可以再详细讲，今天先提一嘴。

OLED在智能手机上已经是主流，它采用有机自发光材料，轻薄、柔性、响应快、对比度高，但是更加昂贵，寿命也短。OLED现阶段的主要对手，就是Mini LED和Micro LED，前者在实现较高性能的前提下，更便宜；后者则被称为“终极技术”，几乎具有OLED的所有优点，克服OLED的所有缺点，但现在技术上还不成熟，非常昂贵。

最近苹果Micro LED智能手表项目搁浅，Vision Pro使用的也是Micro OLED，好像是要放弃Micro LED路线。

不过，用在AR上面，Micro LED实际上非常有优势，三星和LG也都力挺Micro LED，在智能手表、大尺寸电视和透明电视上都给出参考方案，汽车厂商也对Micro LED的矩阵车灯、车载HUD有很大的期待。

需求端，苹果早已不是一家独大，市场格局最终怎样，最终还得问过华为、小米、oppo、vivo，乃至比亚迪吉利蔚小理等等新能源车企业。

技术上来看，不管是做Mini LED还是Micro LED，硅衬底路线都有很明显的优势，包括成本、尺寸、波长一致性、无损去除、低翘曲和CMOS兼容性等等。

从目前的时间节点来看，Micro LED大规模量产的时间可能要到2028年之后，在此期间，还会有非常多的技术碰撞，南昌大学、中科院长春光机所，以及晶能光电、京东方、乾照光电等一大批产业链上下游企业，正在日夜兼程，为抢占先机而努力奋斗。

最后再多唠几句，人们常常高估未来2年内的变化，而低估未来10年会发生的变革，这是我们科工力量常常喜欢提的一句话，今天的故事，又是一个好的注脚，江风益教授开始从事光电研究，其实是在上世纪90年代，到现在已经30多年，硅衬底这条路的科技树和产业链，可以说只是刚刚开始成熟，远没有释放出所有潜力。

而且，江教授也不是从零开始，他之前，还有陈良惠院士等等前人的肩膀，所以，我们今天提新质生产力，科工力量理解的新质生产力，是一个从量变到质变的长期过程，作为媒体，我们呼吁资本、产业、舆论和社会各方的更多耐心和长期关注，拜托大家！

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