我国LED技术发展及应用

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）