我国LED技术发展及应用

2011-11-02 06:46韦东远
创新科技 2011年3期
关键词:芯片发展

文/韦东远

我国LED技术发展及应用

文/韦东远

LED(Light Emitting Diode)是一种借外加电压激发电子而发光的光电半导体组件,其基本结构是将一块电致发光器件置于一个有引线托架上,四周用环氧树脂密封并保护内部芯线。由于不同材料禁带宽度不同,LED可发出不同波长的光;另外,因LED材料组分和掺杂不同、能带结构呈现复杂性,相应地产生了间接跃迁辐射等。从物理机理来讲,LED种类相对比较繁多,其应用领域也较为宽广。

全球LED的发展动态

20世纪以来,伴随全球经济快速发展,困扰各国经济发展的能源危机以及环境保护等重大问题,成为全球可持续发展关注的焦点。鉴于LED相关产品节能、环保、安全、寿命长、应用广泛等诸多优势特性,以及在景观照明、汽车车灯、背光源、通用照明等领域已显现出的巨大市场潜力,促使各国纷纷制定国家层面的发展计划,如美国“国家半导体照明研究计划”、欧盟“彩虹计划”、日本“21世纪照明计划”、韩国“GaN半导体开发计划”以及我国的“十城万盏计划”等,极大地助推并加速了全球LED产业的发展进程。

1.全球LED市场呈现稳健增长

2009年,受全球金融危机影响,上半年LED市场的消费能力及需求大幅度滑落、产业发展减缓趋势明显,下半年以后全球节能减排、应对气候变化的国际环境,使得作为第三代照明技术的LED,以其所孕育的一场新兴产业革命,逐渐呈现出产业复苏、明显增长的发展态势。

美国咨询机构Strategies Unlimited研究显示,伴随全球汽车照明、手机等市场的大幅萎缩,全球LED市场发展规模有所减缓,但是笔记本电脑、液晶屏幕背光等新兴领域的发展与壮大,却助推了未来LED市场的快速发展态势。据有关数据,2009年全球LED市场规模接近68亿美元,较2008年增长32.7%,这是金融危机以来全球LED产业首次出现大幅度增长;预计2010年有望超越100亿美元。不过,全球2010年以后LED市场快速增长趋势有所减缓,2010年以后的每年年均复合增长率接近38%,预计2015年将超过500亿美元。

2.全球LED技术持续快速发展

自1965年全球第一支商用LED问世以来,发展LED以其白光照明替代传统照明,一直被认为是世界照明界的革命性变革。历经近半个世纪的不懈努力,当前LED产品已逐步实现白光照明的目标,但是LED器件的发光效率、成本、寿命等依然制约着LED产品的发展。其中,以Cree(科锐)、Nichia(日亚)、Philips(菲利普)、GE(通用)、0sram(欧思朗)等为代表的世界知名厂商,在LED材料外延技术、芯片技术、器件封装技术以及灯具集成应用技术等方面,始终掌控着核心关键技术,处于产业技术领域的高端,同时不断推动LED技术的发展,并取得突破性进展。

从LED应用视角看,LED发光效率是最具代表性的特征指标。目前,LED发光效率已远超白炽灯与卤素灯泡,甚至超越大部分的荧光灯源,但因LED发展受到相关制约因素影响,使得提升LED发光效率、成本等仍是未来LED技术发展的重心。尽管2001年标准型白光LED(20mA)发光效率仅251m/W,但至2009年初Nichia发布的白光LED,在20mA电流下,其发光效率已达2 491m/W(目前业界之最)。高亮度白光LED(350mA)发光效率也由2004年的30lm/W发展至2008年年底Cree发布的1 611m/W(目前业界之最),为此,LED技术特别是高亮度白光技术的不断突破,极大地推动了全球LED产业发展与壮大。

我国LED的发展动态

受全球LED产业发展的引领与影响,我国LED产业经近40年的技术研发历程,特别是在“国家863计划、科技攻关计划、国家自然科学基金、电子专项基金计划”等的支持下,LED产业技术发展不断取得突破,产业链体系已基本形成,产业发展逐渐壮大并逐渐步入上升期。

1.LED产业增长趋势出现减缓

为应对金融危机及全球气候变化,LED产业正在加快发展步伐。未来5年,我国将LED照明作为一个重大工程进行推动,科技部已经批准上海、大连、南昌、厦门、深圳、石家庄、扬州等7大产业化基地。当前,我国在LED产业上游的原材料和衬底、材料外延等环节,中游的芯片制作、芯片切割、测试等环节以及下游的封装、应用等环节核心技术、工艺与装备已不断实现突破,虽然受到全球金融危机的影响,但LED产业依然保持增长势头。

据有关统计数据,2009年我国LED产业生产规模将超过200亿元,同比2008年增长13.6%,但是较金融危机以前的2007年仍有1.4%的萎缩。伴随LED显示屏、手机背光源市场的快速兴起及推动,LED汽车灯、LED大尺寸背光源、LED路灯等逐渐成熟并将保持较快发展速度,预计到2013年LED市场规模将超越440亿元,2008年以来的年均复合增长率将达18.9%,LED产业发展远景仍令人振奋。

2.LED技术创新不断加强

在“十五”期间国家启动的“半导体照明工程”以及“十一五”期间实施的“863重大项目”的积极推动下,我国LED外延材料、芯片制造、器件封装、荧光粉、灯具集成应用等方面,均已逐步出现自主知识产权的单元技术,部分核心技术已取得原创性成果。其中,在产业化关键技术方面,功率型LED芯片已实现了从无到有,国产LED芯片替代进口比例逐年增长,2008年已达到46%,2009年已经接近50%;《半导体照明节能产业发展意见》中,提出了到2015年,LED芯片国产化率将达到70%以上的发展目标。功率型白光LED封装方面已接近国际先进水平,并成为全球重要的LED封装基地。以企业为主体1001m/W的LED制造技术进展加快,自主知识产权的功率型Si衬底LED芯片封装后达601m/w,通过图形衬底技术和改善外延层结构,产业化较好的功率型LED芯片封装后已达到751m/W。另外,LED规模化系统集成技术研究和重大应用方面,产品种类与规模已处于国际前列。其中,全彩显示屏、太阳能、景观照明等LED产品已跻身全球最大的生产国和出口国。

我国LED发展存在的问题

“十一五”期间,尽管我国通过实施“十一五”863重大项目(见下图),极大地推动LED产业的快速发展及单元技术的进步,但是在LED产业发展的诸多环节中,还存在较多的关键技术及装备尚待突破。

1.LED产业核心关键技术尚存较大差距

LED产业的发展,涉及到的产业链相对较长,主要包含上游的外延材料和芯片、中游的封装以及下游的产品集成应用等主要构成环节。其中,产业上游的技术含量高、资本相对密集,产业中下游的技术含量、资本密集程度等相对较低,但不同环节所含的核心关键技术都将成为决定产业发展成败的关键。

当前,全球完全掌控LED核心技术、拥有自主知识产权和生产力的厂商为数不多,因而充分体现了LED产业上游呈现的技术制胜特征。我国LED产业上游技术,尚处于发展的初级阶段。其中,决定LED芯片质量的外延材料生长、芯片制备等方面的技术,与国外技术领先国家还存在较大的差距。尽管在产业中游的封装方面,已经具有较强的实力,但高端封装材料还必须依赖进口;同时,低热阻大功率LED封装技术以及多芯片组合封装技术,还有待进一步研发。终端产品中灯具的光学设计、散热以及电源管理等相关系统技术,还需要进行进一步技术攻关。

2.LED产业关键设备有待突破核心技术

LED产业发展,除了与产业核心关键技术密切相关之外,关键设备成为制约产业发展的极为重要的环节。主要包括了从衬底材料加工、外延材料生长、芯片制备以及封装、检测等种类繁多的设备。其中,最为重要是外延材料生长的MOCVD(金属有机化合物气相沉积),被业界人士公认为制约LED产业大规模发展的重大瓶颈。

目前,全球范围内能够生产MOCVD的厂商不过3-5家,包括德国Aixtron(70%全球市场占有率)、英国Thomas Swan(被Aixtron收购)、美国Veeco(20%全球市场占有率)、美国Emcore(被Veeco收购)、日本Sanso(7%全球市场占有率,主要在日本销售)。我国LED产业中的MOCVD设备,几乎全部依赖进口,购置成本高昂(约1 500—3 000万元/台),约占整个LED生产线的2/3。虽然当前已经研发出MOCDV设备,但是设备在产能、工艺水平、一致性、均匀性和可靠性方面,与上述厂商水平之间还存在极大的差距。特别是涉及MOCVD反应器内部的结构与控制系统设计、样品台材料(石墨)与高纯石英管材料制备、高纯(6N以上)反应气体制备、反应气体进入反应器的速度、流量以及反应器内温度场、气体组分与流动状态等的模拟与设计方面,还尚需突破重大的技术瓶颈制约。

对策及发展建议

LED产业作为新兴战略性产业之一,面临前所未有的发展机遇,拥有超乎预期的技术升级空间、巨大的市场潜力,为增进LED产业的发展,提出如下建议。

1.突破核心技术制约,提升产业竞争力

我国LED产业虽已进入较为快速的发展期,但是在LED外延材料制备技术、大功率芯片、高性能荧光粉及相关关键设备乃至相关核心专利等方面,仍然与国外技术领先国家存在较大差距。为此,通过制定产业发展规划、加大研发投入力度,突破欧、美、日等技术领先国家对LED核心技术的垄断,解决产业发展面临的重大技术问题。

2.完善产业技术路线图,为推进产业发展提供指导

2007年,科技部计划司已组织完成我国“LED产业技术路线图研究”,绘制了我国《LED产业技术路线图》,但是,由于LED产业技术发展的日新月异,技术突破的进程不断加快,LED产业技术路线图需要每两年左右进行更新,不断完善,为LED产业发展提供科学的指导。

3.制定并建立产业标准体系,引导产业健康发展

LED照明标准涉及面相对较广,不仅涉及从灯具到器件,还包含模块和组件等方面。目前,我国所采用的LED产业标准有40个,其中国外14个、国内26个,但仅包含普通LED标准及照明灯具标准,很少涉及LED产业主要元器件、技术工艺及关键性能等,而且相应指标的检测方法标准极为缺乏,没有形成较完整的LED及照明器具标准体系。为此,国家应鼓励将企业标准和行业标准,逐渐上升到国家标准,建立并完善国家标准体系,引导产业合理竞争,从而获取健康、持续、稳定的产业发展。

4.增进国际合作,积极参与国际竞争

当今,我国LED产业核心技术及相关关键设备制造均受控于美国、德国、日本等发达国家的厂商,但可以通过积极参与国际相关发展计划,参与相关国际标准的制定,增进我国LED产业发展的国际话语权;另外,可以充分利用国际科研资源,汲取国际先进成果,引进、培养高层次人才资源,提升我国LED产业的整体技术实力,推进并加速我国LED产业技术的发展进程。

(作者单位:中国科学技术发展战略研究院)

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