我國LED技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

文/韋東遠(yuǎn)

我國LED技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

文/韋東遠(yuǎn)

LED（Light Emitting Diode）是一種借外加電壓激發(fā)電子而發(fā)光的光電半導(dǎo)體組件，其基本結(jié)構(gòu)是將一塊電致發(fā)光器件置于一個有引線托架上，四周用環(huán)氧樹脂密封并保護內(nèi)部芯線。由于不同材料禁帶寬度不同，LED可發(fā)出不同波長的光；另外，因LED材料組分和摻雜不同、能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜性，相應(yīng)地產(chǎn)生了間接躍遷輻射等。從物理機理來講，LED種類相對比較繁多，其應(yīng)用領(lǐng)域也較為寬廣。

全球LED的發(fā)展動態(tài)

20世紀(jì)以來，伴隨全球經(jīng)濟快速發(fā)展，困擾各國經(jīng)濟發(fā)展的能源危機以及環(huán)境保護等重大問題，成為全球可持續(xù)發(fā)展關(guān)注的焦點。鑒于LED相關(guān)產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長、應(yīng)用廣泛等諸多優(yōu)勢特性，以及在景觀照明、汽車車燈、背光源、通用照明等領(lǐng)域已顯現(xiàn)出的巨大市場潛力，促使各國紛紛制定國家層面的發(fā)展計劃，如美國“國家半導(dǎo)體照明研究計劃”、歐盟“彩虹計劃”、日本“21世紀(jì)照明計劃”、韓國“GaN半導(dǎo)體開發(fā)計劃”以及我國的“十城萬盞計劃”等，極大地助推并加速了全球LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程。

1.全球LED市場呈現(xiàn)穩(wěn)健增長

2009年，受全球金融危機影響，上半年LED市場的消費能力及需求大幅度滑落、產(chǎn)業(yè)發(fā)展減緩趨勢明顯，下半年以后全球節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化的國際環(huán)境，使得作為第三代照明技術(shù)的LED，以其所孕育的一場新興產(chǎn)業(yè)革命，逐漸呈現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)復(fù)蘇、明顯增長的發(fā)展態(tài)勢。

美國咨詢機構(gòu)Strategies Unlimited研究顯示，伴隨全球汽車照明、手機等市場的大幅萎縮，全球LED市場發(fā)展規(guī)模有所減緩，但是筆記本電腦、液晶屏幕背光等新興領(lǐng)域的發(fā)展與壯大，卻助推了未來LED市場的快速發(fā)展態(tài)勢。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，2009年全球LED市場規(guī)模接近68億美元，較2008年增長32.7%，這是金融危機以來全球LED產(chǎn)業(yè)首次出現(xiàn)大幅度增長；預(yù)計2010年有望超越100億美元。不過，全球2010年以后LED市場快速增長趨勢有所減緩，2010年以后的每年年均復(fù)合增長率接近38%，預(yù)計2015年將超過500億美元。

2.全球LED技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展

自1965年全球第一支商用LED問世以來，發(fā)展LED以其白光照明替代傳統(tǒng)照明，一直被認(rèn)為是世界照明界的革命性變革。歷經(jīng)近半個世紀(jì)的不懈努力，當(dāng)前LED產(chǎn)品已逐步實現(xiàn)白光照明的目標(biāo)，但是LED器件的發(fā)光效率、成本、壽命等依然制約著LED產(chǎn)品的發(fā)展。其中，以Cree（科銳）、Nichia（日亞）、Philips（菲利普）、GE（通用）、0sram（歐思朗）等為代表的世界知名廠商，在LED材料外延技術(shù)、芯片技術(shù)、器件封裝技術(shù)以及燈具集成應(yīng)用技術(shù)等方面，始終掌控著核心關(guān)鍵技術(shù)，處于產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的高端，同時不斷推動LED技術(shù)的發(fā)展，并取得突破性進展。

從LED應(yīng)用視角看，LED發(fā)光效率是最具代表性的特征指標(biāo)。目前，LED發(fā)光效率已遠(yuǎn)超白熾燈與鹵素?zé)襞荩踔脸酱蟛糠值臒晒鉄粼?，但因LED發(fā)展受到相關(guān)制約因素影響，使得提升LED發(fā)光效率、成本等仍是未來LED技術(shù)發(fā)展的重心。盡管2001年標(biāo)準(zhǔn)型白光LED（20mA）發(fā)光效率僅251m/W，但至2009年初Nichia發(fā)布的白光LED，在20mA電流下，其發(fā)光效率已達2 491m/W（目前業(yè)界之最）。高亮度白光LED（350mA）發(fā)光效率也由2004年的30lm/W發(fā)展至2008年年底Cree發(fā)布的1 611m/W（目前業(yè)界之最），為此，LED技術(shù)特別是高亮度白光技術(shù)的不斷突破，極大地推動了全球LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展與壯大。

我國LED的發(fā)展動態(tài)

受全球LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)與影響，我國LED產(chǎn)業(yè)經(jīng)近40年的技術(shù)研發(fā)歷程，特別是在“國家863計劃、科技攻關(guān)計劃、國家自然科學(xué)基金、電子專項基金計劃”等的支持下，LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展不斷取得突破，產(chǎn)業(yè)鏈體系已基本形成，產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸壯大并逐漸步入上升期。

1.LED產(chǎn)業(yè)增長趨勢出現(xiàn)減緩

為應(yīng)對金融危機及全球氣候變化，LED產(chǎn)業(yè)正在加快發(fā)展步伐。未來5年，我國將LED照明作為一個重大工程進行推動，科技部已經(jīng)批準(zhǔn)上海、大連、南昌、廈門、深圳、石家莊、揚州等7大產(chǎn)業(yè)化基地。當(dāng)前，我國在LED產(chǎn)業(yè)上游的原材料和襯底、材料外延等環(huán)節(jié)，中游的芯片制作、芯片切割、測試等環(huán)節(jié)以及下游的封裝、應(yīng)用等環(huán)節(jié)核心技術(shù)、工藝與裝備已不斷實現(xiàn)突破，雖然受到全球金融危機的影響，但LED產(chǎn)業(yè)依然保持增長勢頭。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2009年我國LED產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模將超過200億元，同比2008年增長13.6%，但是較金融危機以前的2007年仍有1.4%的萎縮。伴隨LED顯示屏、手機背光源市場的快速興起及推動，LED汽車燈、LED大尺寸背光源、LED路燈等逐漸成熟并將保持較快發(fā)展速度，預(yù)計到2013年LED市場規(guī)模將超越440億元，2008年以來的年均復(fù)合增長率將達18.9%，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展遠(yuǎn)景仍令人振奮。

2.LED技術(shù)創(chuàng)新不斷加強

在“十五”期間國家啟動的“半導(dǎo)體照明工程”以及“十一五”期間實施的“863重大項目”的積極推動下，我國LED外延材料、芯片制造、器件封裝、熒光粉、燈具集成應(yīng)用等方面，均已逐步出現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)的單元技術(shù)，部分核心技術(shù)已取得原創(chuàng)性成果。其中，在產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)方面，功率型LED芯片已實現(xiàn)了從無到有，國產(chǎn)LED芯片替代進口比例逐年增長，2008年已達到46%，2009年已經(jīng)接近50%；《半導(dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展意見》中，提出了到2015年，LED芯片國產(chǎn)化率將達到70%以上的發(fā)展目標(biāo)。功率型白光LED封裝方面已接近國際先進水平，并成為全球重要的LED封裝基地。以企業(yè)為主體1001m/W的LED制造技術(shù)進展加快，自主知識產(chǎn)權(quán)的功率型Si襯底LED芯片封裝后達601m/w，通過圖形襯底技術(shù)和改善外延層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)業(yè)化較好的功率型LED芯片封裝后已達到751m/W。另外，LED規(guī)?；到y(tǒng)集成技術(shù)研究和重大應(yīng)用方面，產(chǎn)品種類與規(guī)模已處于國際前列。其中，全彩顯示屏、太陽能、景觀照明等LED產(chǎn)品已躋身全球最大的生產(chǎn)國和出口國。

我國LED發(fā)展存在的問題

“十一五”期間，盡管我國通過實施“十一五”863重大項目（見下圖），極大地推動LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展及單元技術(shù)的進步，但是在LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的諸多環(huán)節(jié)中，還存在較多的關(guān)鍵技術(shù)及裝備尚待突破。

1.LED產(chǎn)業(yè)核心關(guān)鍵技術(shù)尚存較大差距

LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，涉及到的產(chǎn)業(yè)鏈相對較長，主要包含上游的外延材料和芯片、中游的封裝以及下游的產(chǎn)品集成應(yīng)用等主要構(gòu)成環(huán)節(jié)。其中，產(chǎn)業(yè)上游的技術(shù)含量高、資本相對密集，產(chǎn)業(yè)中下游的技術(shù)含量、資本密集程度等相對較低，但不同環(huán)節(jié)所含的核心關(guān)鍵技術(shù)都將成為決定產(chǎn)業(yè)發(fā)展成敗的關(guān)鍵。

當(dāng)前，全球完全掌控LED核心技術(shù)、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和生產(chǎn)力的廠商為數(shù)不多，因而充分體現(xiàn)了LED產(chǎn)業(yè)上游呈現(xiàn)的技術(shù)制勝特征。我國LED產(chǎn)業(yè)上游技術(shù)，尚處于發(fā)展的初級階段。其中，決定LED芯片質(zhì)量的外延材料生長、芯片制備等方面的技術(shù)，與國外技術(shù)領(lǐng)先國家還存在較大的差距。盡管在產(chǎn)業(yè)中游的封裝方面，已經(jīng)具有較強的實力，但高端封裝材料還必須依賴進口；同時，低熱阻大功率LED封裝技術(shù)以及多芯片組合封裝技術(shù)，還有待進一步研發(fā)。終端產(chǎn)品中燈具的光學(xué)設(shè)計、散熱以及電源管理等相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)，還需要進行進一步技術(shù)攻關(guān)。

2.LED產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵設(shè)備有待突破核心技術(shù)

LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展，除了與產(chǎn)業(yè)核心關(guān)鍵技術(shù)密切相關(guān)之外，關(guān)鍵設(shè)備成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的極為重要的環(huán)節(jié)。主要包括了從襯底材料加工、外延材料生長、芯片制備以及封裝、檢測等種類繁多的設(shè)備。其中，最為重要是外延材料生長的MOCVD（金屬有機化合物氣相沉積），被業(yè)界人士公認(rèn)為制約LED產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的重大瓶頸。

目前，全球范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)MOCVD的廠商不過3-5家，包括德國Aixtron（70%全球市場占有率）、英國Thomas Swan（被Aixtron收購）、美國Veeco（20%全球市場占有率）、美國Emcore（被Veeco收購）、日本Sanso（7%全球市場占有率，主要在日本銷售）。我國LED產(chǎn)業(yè)中的MOCVD設(shè)備，幾乎全部依賴進口，購置成本高昂（約1 500—3 000萬元/臺），約占整個LED生產(chǎn)線的2/3。雖然當(dāng)前已經(jīng)研發(fā)出MOCDV設(shè)備，但是設(shè)備在產(chǎn)能、工藝水平、一致性、均勻性和可靠性方面，與上述廠商水平之間還存在極大的差距。特別是涉及MOCVD反應(yīng)器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計、樣品臺材料（石墨）與高純石英管材料制備、高純（6N以上）反應(yīng)氣體制備、反應(yīng)氣體進入反應(yīng)器的速度、流量以及反應(yīng)器內(nèi)溫度場、氣體組分與流動狀態(tài)等的模擬與設(shè)計方面，還尚需突破重大的技術(shù)瓶頸制約。

對策及發(fā)展建議

LED產(chǎn)業(yè)作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，面臨前所未有的發(fā)展機遇，擁有超乎預(yù)期的技術(shù)升級空間、巨大的市場潛力，為增進LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提出如下建議。

1.突破核心技術(shù)制約，提升產(chǎn)業(yè)競爭力

我國LED產(chǎn)業(yè)雖已進入較為快速的發(fā)展期，但是在LED外延材料制備技術(shù)、大功率芯片、高性能熒光粉及相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備乃至相關(guān)核心專利等方面，仍然與國外技術(shù)領(lǐng)先國家存在較大差距。為此，通過制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、加大研發(fā)投入力度，突破歐、美、日等技術(shù)領(lǐng)先國家對LED核心技術(shù)的壟斷，解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重大技術(shù)問題。

2.完善產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖，為推進產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供指導(dǎo)

2007年，科技部計劃司已組織完成我國“LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖研究”，繪制了我國《LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖》，但是，由于LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的日新月異，技術(shù)突破的進程不斷加快，LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖需要每兩年左右進行更新，不斷完善，為LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)的指導(dǎo)。

3.制定并建立產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

LED照明標(biāo)準(zhǔn)涉及面相對較廣，不僅涉及從燈具到器件，還包含模塊和組件等方面。目前，我國所采用的LED產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有40個，其中國外14個、國內(nèi)26個，但僅包含普通LED標(biāo)準(zhǔn)及照明燈具標(biāo)準(zhǔn)，很少涉及LED產(chǎn)業(yè)主要元器件、技術(shù)工藝及關(guān)鍵性能等，而且相應(yīng)指標(biāo)的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)極為缺乏，沒有形成較完整的LED及照明器具標(biāo)準(zhǔn)體系。為此，國家應(yīng)鼓勵將企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，逐漸上升到國家標(biāo)準(zhǔn)，建立并完善國家標(biāo)準(zhǔn)體系，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)合理競爭，從而獲取健康、持續(xù)、穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.增進國際合作，積極參與國際競爭

當(dāng)今，我國LED產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)及相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備制造均受控于美國、德國、日本等發(fā)達國家的廠商，但可以通過積極參與國際相關(guān)發(fā)展計劃，參與相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，增進我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國際話語權(quán)；另外，可以充分利用國際科研資源，汲取國際先進成果，引進、培養(yǎng)高層次人才資源，提升我國LED產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)實力，推進并加速我國LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展進程。

（作者單位：中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院）