文/韋東遠(yuǎn)

我國(guó)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(gè)有引線托架上，四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封并保護(hù)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(zhǎng)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(jī)理來(lái)講，LED種類(lèi)相對(duì)比較繁多，其應(yīng)用領(lǐng)域也較為寬廣。

全球LED的發(fā)展動(dòng)態(tài)

20世紀(jì)以來(lái)，伴隨全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，困擾各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源危機(jī)以及環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題，成為全球可持續(xù)發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)。鑒于LED相關(guān)產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長(zhǎng)、應(yīng)用廣泛等諸多優(yōu)勢(shì)特性，以及在景觀照明、汽車(chē)車(chē)燈、背光源、通用照明等領(lǐng)域已顯現(xiàn)出的巨大市場(chǎng)潛力，促使各國(guó)紛紛制定國(guó)家層面的發(fā)展計(jì)劃，如美國(guó)“國(guó)家半導(dǎo)體照明研究計(jì)劃”、歐盟“彩虹計(jì)劃”、日本“21世紀(jì)照明計(jì)劃”、韓國(guó)“GaN半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)計(jì)劃”以及我國(guó)的“十城萬(wàn)盞計(jì)劃”等，極大地助推并加速了全球LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。

1.全球LED市場(chǎng)呈現(xiàn)穩(wěn)健增長(zhǎng)

2009年，受全球金融危機(jī)影響，上半年LED市場(chǎng)的消費(fèi)能力及需求大幅度滑落、產(chǎn)業(yè)發(fā)展減緩趨勢(shì)明顯，下半年以后全球節(jié)能減排、應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)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(chǎng)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(zhǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

美國(guó)咨詢機(jī)構(gòu)Strategies Unlimited研究顯示，伴隨全球汽車(chē)照明、手機(jī)等市場(chǎng)的大幅萎縮，全球LED市場(chǎng)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(lái)LED市場(chǎng)的快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，2009年全球LED市場(chǎng)規(guī)模接近68億美元，較2008年增長(zhǎng)32.7%，這是金融危機(jī)以來(lái)全球LED產(chǎn)業(yè)首次出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)；預(yù)計(jì)2010年有望超越100億美元。不過(guò)，全球2010年以后LED市場(chǎng)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減緩，2010年以后的每年年均復(fù)合增長(zhǎng)率接近38%，預(yù)計(jì)2015年將超過(guò)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(wèn)世以來(lái)，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(gè)世紀(jì)的不懈努力，當(dāng)前LED產(chǎn)品已逐步實(shí)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(shí)不斷推動(dòng)LED技術(shù)的發(fā)展，并取得突破性進(jìn)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?，甚至超越大部分的熒光燈源，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(lái)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(dá)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(dòng)了全球LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展與壯大。

我國(guó)LED的發(fā)展動(dòng)態(tài)

受全球LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)與影響，我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)經(jīng)近40年的技術(shù)研發(fā)歷程，特別是在“國(guó)家863計(jì)劃、科技攻關(guān)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、電子專項(xiàng)基金計(jì)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(zhǎng)趨勢(shì)出現(xiàn)減緩

為應(yīng)對(duì)金融危機(jī)及全球氣候變化，LED產(chǎn)業(yè)正在加快發(fā)展步伐。未來(lái)5年，我國(guó)將LED照明作為一個(gè)重大工程進(jìn)行推動(dòng)，科技部已經(jīng)批準(zhǔn)上海、大連、南昌、廈門(mén)、深圳、石家莊、揚(yáng)州等7大產(chǎn)業(yè)化基地。當(dāng)前，我國(guó)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(cè)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(shí)現(xiàn)突破，雖然受到全球金融危機(jī)的影響，但LED產(chǎn)業(yè)依然保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2009年我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模將超過(guò)200億元，同比2008年增長(zhǎng)13.6%，但是較金融危機(jī)以前的2007年仍有1.4%的萎縮。伴隨LED顯示屏、手機(jī)背光源市場(chǎng)的快速興起及推動(dòng)，LED汽車(chē)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(jì)到2013年LED市場(chǎng)規(guī)模將超越440億元，2008年以來(lái)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)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(qiáng)

在“十五”期間國(guó)家啟動(dòng)的“半導(dǎo)體照明工程”以及“十一五”期間實(shí)施的“863重大項(xiàng)目”的積極推動(dòng)下，我國(guó)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(shí)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(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有，國(guó)產(chǎn)LED芯片替代進(jìn)口比例逐年增長(zhǎng)，2008年已達(dá)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(jiàn)》中，提出了到2015年，LED芯片國(guó)產(chǎn)化率將達(dá)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(guó)際先進(jìn)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(jìn)展加快，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功率型Si襯底LED芯片封裝后達(dá)601m/w，通過(guò)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(dá)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(lèi)與規(guī)模已處于國(guó)際前列。其中，全彩顯示屏、太陽(yáng)能、景觀照明等LED產(chǎn)品已躋身全球最大的生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)。

我國(guó)LED發(fā)展存在的問(wèn)題

“十一五”期間，盡管我國(guó)通過(guò)實(shí)施“十一五”863重大項(xiàng)目（見(jiàn)下圖），極大地推動(dòng)LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展及單元技術(shù)的進(jìn)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(duì)較長(zhǎng)，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(duì)密集，產(chǎn)業(yè)中下游的技術(shù)含量、資本密集程度等相對(duì)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(shí)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(guó)LED產(chǎn)業(yè)上游技術(shù)，尚處于發(fā)展的初級(jí)階段。其中，決定LED芯片質(zhì)量的外延材料生長(zhǎng)、芯片制備等方面的技術(shù)，與國(guó)外技術(shù)領(lǐng)先國(guó)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(qiáng)的實(shí)力，但高端封裝材料還必須依賴進(jìn)口；同時(shí)，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(jìn)一步研發(fā)。終端產(chǎn)品中燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱以及電源管理等相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)，還需要進(jìn)行進(jìn)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(zhǎng)、芯片制備以及封裝、檢測(cè)等種類(lèi)繁多的設(shè)備。其中，最為重要是外延材料生長(zhǎng)的MOCVD（金屬有機(jī)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(guò)3-5家，包括德國(guó)Aixtron（70%全球市場(chǎng)占有率）、英國(guó)Thomas Swan（被Aixtron收購(gòu)）、美國(guó)Veeco（20%全球市場(chǎng)占有率）、美國(guó)Emcore（被Veeco收購(gòu)）、日本Sanso（7%全球市場(chǎng)占有率，主要在日本銷(xiāo)售）。我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)中的MOCVD設(shè)備，幾乎全部依賴進(jìn)口，購(gòu)置成本高昂（約1 500—3 000萬(wàn)元/臺(tái)），約占整個(gè)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(jì)、樣品臺(tái)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(jìn)入反應(yīng)器的速度、流量以及反應(yīng)器內(nèi)溫度場(chǎng)、氣體組分與流動(dòng)狀態(tài)等的模擬與設(shè)計(jì)方面，還尚需突破重大的技術(shù)瓶頸制約。

對(duì)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(jī)遇，擁有超乎預(yù)期的技術(shù)升級(jí)空間、巨大的市場(chǎng)潛力，為增進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)力

我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)雖已進(jìn)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(guó)外技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家存在較大差距。為此，通過(guò)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(guó)家對(duì)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(wèn)題。

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

2007年，科技部計(jì)劃司已組織完成我國(guó)“LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖研究”，繪制了我國(guó)《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(jìn)程不斷加快，LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖需要每?jī)赡曜笥疫M(jìn)行更新，不斷完善，為L(zhǎng)ED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(duì)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(guó)所采用的LED產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有40個(gè)，其中國(guó)外14個(gè)、國(guó)內(nèi)26個(gè)，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(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)極為缺乏，沒(méi)有形成較完整的LED及照明器具標(biāo)準(zhǔn)體系。為此，國(guó)家應(yīng)鼓勵(lì)將企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，逐漸上升到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建立并完善國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)合理競(jìng)爭(zhēng)，從而獲取健康、持續(xù)、穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.增進(jìn)國(guó)際合作，積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)

當(dāng)今，我國(guó)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(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的廠商，但可以通過(guò)積極參與國(guó)際相關(guān)發(fā)展計(jì)劃，參與相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，增進(jìn)我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)；另外，可以充分利用國(guó)際科研資源，汲取國(guó)際先進(jìn)成果，引進(jìn)、培養(yǎng)高層次人才資源，提升我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)實(shí)力，推進(jìn)并加速我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

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