【文/观(guan)察者网(wang)专栏作者 科工力量】
这是一(yi)个1.42瓦的LED灯珠，单(dan)价1块5左右。
64颗这样的灯珠组合到(dao)一(yi)起，可以做成一(yi)盏100瓦的路灯，价格500元(yuan)左右，照明效(xiao)果跟额定(ding)250W的高压(ya)钠灯相当，按(an)一(yi)晚上平均亮灯11小时(shi)计(ji)算，每天用电从3度减少到(dao)1度左右。如果是主路，原先要用额定(ding)400瓦的高压(ya)钠灯，现在(zai)可以用150瓦的LED灯替换(huan)，一(yi)晚上，要省3度电左右。
LED路灯 图源：搜狐(hu)科技(ji)
2018年，银川将350多条道(dao)路的4.5万盏高压(ya)钠灯替换(huan)为LED灯，运(yun)行至今已(yi)经6年，每年节约用电4840万度。
除此之外，高压(ya)钠灯只有1~2年使用寿命(ming)，LED的使用寿命(ming)一(yi)般在(zai)5万小时(shi)以上，基本(ben)可以用10多年。还有，LED灯的本(ben)质(zhi)就(jiu)是一(yi)组光电芯片，天生更容易(yi)与数字技(ji)术结合，更容易(yi)实现单(dan)灯控制和后台监控，运(yun)营和维护成本(ben)更低。
如果按(an)10年周期算，换(huan)成LED灯省下的电费(fei)，扣(kou)除掉替换(huan)设备的成本(ben)后，一(yi)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(ning)聚了(le)人类顶尖智慧的科技(ji)，一(yi)点都不夸张。
要制作出这样一(yi)颗灯珠，需要在(zai)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(dan)说衬底这个环节，目前只有三(san)条技(ji)术路线，分属(shu)日本(ben)、美国、中国，都得到(dao)了(le)各自国家的最高荣誉。
日本(ben)团队1993年发明蓝宝石(shi)衬底路线，随后20年，基于这条路线的LED技(ji)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(ben)科学家中村修二、赤崎勇领衔的团队，因此获得了(le)2014年诺贝尔物(wu)理学奖，还有日本(ben)国内的天皇文化勋章。
不过，这条路线并不完美，首先，蓝宝石(shi)是绝缘体，硬度高，难以薄化、切割和剥离(li)，导热(re)性能也比较差，这些娘胎里带出来的特点，导致它无(wu)法制成垂直结构的器件，影响发光质(zhi)量和效(xiao)率，所以，用蓝宝石(shi)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(zai)2003年获得美国总统技(ji)术奖。
碳化硅在(zai)材(cai)料属(shu)性上是导电的半导体，可以做垂直结构，发光质(zhi)量好，导热(re)性能也要比蓝宝石(shi)高10倍以上，改进了(le)蓝宝石(shi)衬底技(ji)术的散热(re)问题和晶体质(zhi)量。
不过，碳化硅路线的硬伤是昂贵，被称为“贵族技(ji)术”，一(yi)则蓝宝石(shi)衬底路线具有先发优势，二则全(quan)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(ben)。
南昌大学的江风益教授团队走通了(le)第三(san)条路：硅衬底，也因此获得中国国家技(ji)术发明奖一(yi)等奖。
硅作为衬底材(cai)料的先天优势很突出，兼具蓝宝石(shi)和碳化硅的优点，但要在(zai)硅衬底上制备高光效(xiao)LED芯片却(que)一(yi)直是个世界级难题。
因为硅和氮化镓材(cai)料存(cun)在(zai)严重的热(re)失配和晶格失配，各国研究者穷(qiong)尽40余年钻研，迟迟没有找到(dao)攻克关键技(ji)术难点的理想方法，尤(you)其在(zai)前两条路线相继走通之后，硅衬底这一(yi)技(ji)术路线一(yi)度被业界宣判“死刑”。
不过，在(zai)中国这个LED制造(zao)大国，产业从根源上依赖日本(ben)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(shi)路线，其中布满了(le)国外巨(ju)头(tou)精心(xin)埋下的专利“地雷”，这一(yi)方面阻碍了(le)中国LED产品和企业进入国际市场，另一(yi)方面，这些“地雷”即使不爆，也是一(yi)把达(da)摩克利斯之剑，一(yi)直悬(xuan)在(zai)头(tou)上。
江风益教授团队要排除的，就(jiu)是这些地雷，在(zai)他(ta)的理解中，科研的目标跟产业化是统一(yi)的，总共需要完成“0到(dao)1”“1到(dao)N”和“N到(dao)0”三(san)个步骤(zhou)，先要解决科技(ji)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(quan)部(bu)卖出去。
这种“以终为始”的思维，在(zai)企业界或许是常识(shi)，在(zai)高校里，还真是比较宝贵。
2003年起，江风益教授在(zai)南昌大学的半导体发光材(cai)料实验室里支起一(yi)张床，前前后后经历3000多次实验，终于在(zai)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(pi)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(ji)创业》杂志(zhi)评选“全(quan)球最具创新力企业50强”，晶能光电与Apple、IBM一(yi)同上榜；
2012年，大功率LED芯片量产被国际半导体照明联盟(meng)（ISA）评为“2012年度新闻事件”；
一(yi)连串里程碑之后，我们有了(le)从源头(tou)上完全(quan)自主可控的技(ji)术，整个行业的专利风险就(jiu)减轻了(le)，如果国外巨(ju)头(tou)还要上门来找蓝宝石(shi)路线的茬，一(yi)是要面临相关企业转向硅衬底路线的风险，第二个是他(ta)们自己也要掂量掂量，可能免不了(le)以后也要用硅衬底路线做产品。比照中国通信行业，用5G时(shi)代(dai)的技(ji)术专利增量，破解了(le)过去2G、3G时(shi)代(dai)国外的存(cun)量专利壁垒(lei)，差不多的意思。
插曲还真有，2016年，国外某知名公司高管(guan)带着律师函上门，声称我们侵犯知识(shi)产权，经过详细(xi)的技(ji)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(yi)场茶杯里的风暴。
最终的扬眉(mei)吐气，每一(yi)步都来之不易(yi)。尤(you)其是产业化过程，有着与实验室里不一(yi)样的艰难。
江风益和团队创办的晶能光电，一(yi)开(kai)始只是想在(zai)产业长链中专注于上游LED芯片的生产，他(ta)们想当然地觉(jue)得，拥有了(le)源头(tou)上的硬科技(ji)，又没有知识(shi)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(que)是，中下游企业不买单(dan)。
当时(shi)，中游封装企业基本(ben)采用主流蓝宝石(shi)衬底芯片，设备也是根据蓝宝石(shi)衬底芯片特点设计(ji)，大家好端端在(zai)赚(zuan)钱，也没有谁来制裁(cai)我们，你突然上门，叫我们更改技(ji)术路线，不就(jiu)意味着新的成本(ben)和风险。好不容易(yi)说服一(yi)些封装企业试水，受工艺条件不同带来的限制，一(yi)时(shi)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(yi)样的，使用成熟的蓝宝石(shi)衬底已(yi)经跑通，改弦更张的话(hua)，一(yi)方面要担心(xin)得罪老的合作伙(huo)伴，另一(yi)方面，晶能的硅衬底芯片产能还要爬坡，货源还不稳定(ding)，一(yi)旦出问题，两头(tou)不落好。
今天，江西已(yi)经初步形(xing)成了(le)一(yi)条光电产业上中下游的垂直产业链，看似是未雨绸(chou)缪，推动产业链补链延链走在(zai)了(le)前面，实际上，都是被逼出来的。
产业中游，晶能是自己搞了(le)一(yi)条陶(tao)瓷封装线做灯泡(pao)。
下游厂商还不配合怎么办？就(jiu)从最小的切入点开(kai)始撬动，联合创始人王敏亲自带着销售(shou)团队进驻“手电筒之乡”，浙江宁波的西店(dian)镇(zhen)，挨个拜访客户，为了(le)展示硅衬底路线光源效(xiao)率高、方向性好的特点，还做了(le)一(yi)个能照2公里的超(chao)大手电筒，这才慢慢吸引到(dao)合作者。
起步阶段，除了(le)手电筒，还有开(kai)头(tou)说的路灯，晶能光电的照明应用部(bu)门独立出来，成为央企中国节能的子(zi)公司晶和科技(ji)，逐渐摸索出一(yi)套以G端客户为主的合同能源管(guan)理业务模式(shi)。
在(zai)这种模式(shi)下，按(an)一(yi)个长周期算，换(huan)新设备相比原先能够省下多少钱，这部(bu)分钱就(jiu)归公司做利润，或者跟政府按(an)一(yi)定(ding)比例分成。
这种模式(shi)硬桥硬马，最适合真正技(ji)术过硬，设备长期可靠的企业，目前，中节能晶和科技(ji)是全(quan)国最大的道(dao)路照明合同能源管(guan)理服务商，累计(ji)投运(yun)管(guan)理项目60多个，管(guan)理灯具总数超(chao)过65万盏，投运(yun)项目全(quan)运(yun)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(bu)统计(ji)，中国城市道(dao)路照明灯数量在(zai)2017年是2593万盏，2021年增加(jia)到(dao)3234万盏，市场总体规模在(zai)5500亿。
其中，大约2/3使用的是传统的高压(ya)钠灯，按(an)照2022年住建部(bu)和发改委出台的《城乡建设领域碳达(da)峰实施方案》，到(dao)2030年LED灯的使用占比要超(chao)过80%，粗算一(yi)下，城市LED灯替换(huan)传统钠灯市场需求预计(ji)在(zai)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(dan)靠晶和科技(ji)一(yi)家是吃(chi)不过来的，现在(zai)，已(yi)经有更多其他(ta)企业来找晶和科技(ji)技(ji)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(zai)实验室中的努力，过程离(li)不开(kai)晶能光电自己找市场、自建产业链的决心(xin)和努力，所以，国家技(ji)术发明奖一(yi)等奖的获得者其实有三(san)方，分别(bie)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(san)家联合获奖。
江风益（中）在(zai)国家科学技(ji)术奖励大会上 图源：南昌大学官网(wang)
国家863专家组当时(shi)这样评价：这一(yi)技(ji)术改变了(le)日本(ben)公司垄断蓝宝石(shi)衬底和美国公司垄断碳化硅衬底半导体照明技(ji)术的局面，形(xing)成了(le)蓝宝石(shi)、碳化硅、硅基半导体照明技(ji)术方案“三(san)足鼎立”的局面。
这一(yi)整棵科技(ji)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(dao)3美元(yuan)一(yi)颗，因为硅衬底路线打通，同样性能的灯珠，降到(dao)5毛钱人民币一(yi)颗，现在(zai)全(quan)球每3部(bu)手机，就(jiu)有一(yi)部(bu)使用硅衬底技(ji)术的闪光灯。
前面提到(dao)过一(yi)个能照2公里的手电筒，这是因为相比蓝宝石(shi)衬底技(ji)术，硅衬底产品的电流分布均匀、扩散快(kuai)，单(dan)面出光，方向性好，光品质(zhi)好，所以特别(bie)适合汽车大灯、探照灯、矿灯等等对光品质(zhi)要求比较高的高端照明。
附(fu)加(jia)值更高的领域是LED显示，中日韩(han)之间(jian)长达(da)20多年的显示面板博弈，现在(zai)已(yi)经渐渐来到(dao)收官阶段，三(san)星虽然仍是老大，但已(yi)经退出传统LED面板而专攻OLED，这是另一(yi)个大的话(hua)题，我们有机会可以再详细(xi)讲，今天先提一(yi)嘴。
OLED在(zai)智能手机上已(yi)经是主流，它采用有机自发光材(cai)料，轻薄、柔性、响应快(kuai)、对比度高，但是更加(jia)昂贵，寿命(ming)也短。OLED现阶段的主要对手，就(jiu)是Mini LED和Micro LED，前者在(zai)实现较高性能的前提下，更便宜；后者则被称为“终极技(ji)术”，几乎具有OLED的所有优点，克服OLED的所有缺点，但现在(zai)技(ji)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(xiang)是要放弃Micro LED路线。
不过，用在(zai)AR上面，Micro LED实际上非常有优势，三(san)星和LG也都力挺(ting)Micro LED，在(zai)智能手表、大尺(chi)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(yi)不是一(yi)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(wei)小理等等新能源车企业。
技(ji)术上来看，不管(guan)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(ben)、尺(chi)寸、波长一(yi)致性、无(wu)损去除、低翘曲和CMOS兼容性等等。
从目前的时(shi)间(jian)节点来看，Micro LED大规模量产的时(shi)间(jian)可能要到(dao)2028年之后，在(zai)此期间(jian)，还会有非常多的技(ji)术碰撞，南昌大学、中科院长春光机所，以及晶能光电、京(jing)东方、乾照光电等一(yi)大批(pi)产业链上下游企业，正在(zai)日夜兼程，为抢占先机而努力奋(fen)斗(dou)。
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(yi)句话(hua)，今天的故事，又是一(yi)个好的注脚，江风益教授开(kai)始从事光电研究，其实是在(zai)上世纪90年代(dai)，到(dao)现在(zai)已(yi)经30多年，硅衬底这条路的科技(ji)树和产业链，可以说只是刚刚开(kai)始成熟，远没有释放出所有潜力。
而且，江教授也不是从零开(kai)始，他(ta)之前，还有陈良惠院士(shi)等等前人的肩(jian)膀，所以，我们今天提新质(zhi)生产力，科工力量理解的新质(zhi)生产力，是一(yi)个从量变到(dao)质(zhi)变的长期过程，作为媒体，我们呼吁(yu)资本(ben)、产业、舆论和社会各方的更多耐心(xin)和长期关注，拜托(tuo)大家！
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