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外延芯片产业我国半导体照明逐步走向技术主导道路

第一只发光二极管诞生于上世纪60年代,经过30多年的发展,中国LED产业在经历了买器件、买芯片、买外延片之路后,现已初步实现了外延片和芯片自主生产,形成了较为完整的产业链。

  产业链初步形成

  第一批商业化的LED出现于1968年,最早的GaP(磷化镓)、GaAsP(砷磷化镓)红色、黄色、绿色LED开始应用于指示灯、数字和文字显示。随后十年,高亮度、全色化已成为LED技术研究的主要课题。1991年日本东芝公司与美国HP公司研制成四元系橙色、黄色、黄绿色超高亮度LED。1994年日本日亚公司研制成GaN(氮化镓)蓝绿色LED。1995年,高亮度蓝色、绿色LED相继进入量产,使LED的发光波长覆盖从红色到蓝色整个可见光谱范围,而且具有高达30%的发光效率。随之而来的白色LED的成功研制,更大大拓展了LED的应用领域,从此开始形成一个朝阳无限的LED照明产业。

  我国LED的发展起步于20世纪60年代。1970年11月在上海召开的全国砷化镓学术交流会议上,报告了用水汽外延法制成“磷砷化镓红色发光二极管”的研究成果,从此我国LED材料和器件研发正式起步。20世纪80年代形成LED产业,90年代LED产业已经初具规模,90年代后期得到迅猛发展。

  早期国内LED企业多为封装企业,芯片全部从海外进口。这一时期产业以封装为主,产品主要用于信号、标志、数字显示等方面。1998年国家“九五”技改使南昌七四六厂组建的欣磊光电公司生产出普亮LED芯片10亿只。1999年河北汇能电子公司和河北立德电子公司分别建成InGaAlP超高亮度LED外延片和芯片生产线,年产能达到外延片1万片和芯片1亿只,从而改变了我国LED外延片和芯片全部依赖进口的局面。

  国内LED技术发展离不开科研院所的攻关研究。1997年,在国家自然科学基金的支持下,北京大学率先研制出国内第一只蓝光发光二极管。几年后南昌大学在国际上率先开发成功硅衬底蓝光LED材料与芯片的生产技术,实现批量生产,成为我国具有自主知识产权的第三种发光二极管外延材料与芯片的技术路线。

  我国LED产业经历了进口器件销售——进口芯片封装——进口外延片制成芯片并封装——自主生产外延片、芯片和器件四个阶段。我国LED产业之所以取得如此大的成就,原因也是多方面的:第一,光电产品应用面拓展,市场出现供需矛盾,产业规模不足,供应量不足,急需扩大企业产能,发展产业经济。第二,改革开放带来了发展机会。我国台湾LED产业迅速发展,向大陆出口大量芯片,加上LED封装技术日趋成熟,新企业介入大陆封装业,形成了总体产业经济的扩张。第三,政府加大了扶持产业发展的力度。长春半导体厂、国营746厂、苏州半导体总厂先后进行技术改造,并与院校的研究成果结合,取得了良好效果。第四,市场的急剧增长使得仅靠大陆技术改造难以满足需求,因而大量的芯片从我国台湾、日本进口,从而又促进了LED封装业的发展。第五,业者普遍达成共识,发展我国光电产业需要实行三个结合:投资者与企业相结合、研究成果与企业相结合、海峡两岸技术与资源相结合。第六,国际上LED技术发展很快,四元系、氮化镓和白光LED的面世促进了LED产业发展。同时LED被列入“863”计划,使LED产业得到蓬勃发展。

  经过30多年的发展,中国LED产业现已初步实现了外延片和芯片自主生产,形成了较为完整的产业链。主要研发单位有北京大学、清华大学、中科院半导体研究所、南昌大学、中电集团第13研究所、中科院物理所、华南师范大学、厦门大学、山东大学、南京大学等;外延、芯片生产厂主要有厦门三安、大连路美、上海蓝光、上海蓝宝、山东华光、深圳方大、杭州士兰明芯、江西联创、南昌欣磊、上海大晨等;封装与应用厂家主要有厦门华联、佛山国星、宁波升谱、江苏稳润、广州鸿利、天津天星、河北鑫谷、上海三思、北京利亚德、深圳国冶星光等。

  目前从事LED产业的人数达30余万人,企业2000多家,其中外延与芯片生产企业40余家,封装企业600多家,LED应用产品及配套企业1000余家。2007年我国LED产量460亿只,芯片产量360亿只,其中高亮度芯片210亿只,器件及模块产值达220亿元。

  发光效率提升带动LED应用发展

  如今半导体照明已经无可争议地成为LED在21世纪的重要应用领域。半导体照明工程为我国LED产业的发展提供了前所未有的机遇和巨大支持。国家已经在“十一五”规划中将LED照明列入重点发展项目,这也将促进我国LED产业的发展。随着LED应用领域的不断拓宽,必将带动产业整体持续成长,LED产业的未来仍将是业界关注的焦点。

  半导体照明产业正在快速增长,2008年全球发光二极管(LED)市场达到100亿美元。面对半导体照明的巨大商机和令人鼓舞的发展前景,我国已成为全球半导体照明产业发展最快的区域。同时我国是全球最大的传统照明生产、消费和出口国,半导体照明的发展为我国传统照明行业创造了极好的产业提升机遇。特别是北京举办2008奥林匹克运动会、上海举办2010世界博览会、广州亚运会等重大工程,也将大大推动国内LED产业的发展,预计2010年我国LED及相关应用产品产值将达到1000亿元。

  2008年全球LED市场容量大概在50亿美元,到2013年全球LED市场容量将达到179亿美元左右,年复合增长率为24%。从应用领域来看,照明领域的年复合增长率为40.3%,汽车为6.9%,液晶背光(大尺寸)为117.4%,显示产品为2.2%。可以看出,增长最快的除了大尺寸背光外就是照明产品。2004年景观照明和通用照明在整个LED应用中所占比例为5%,到了2008年,这一比例上升到15%。

  LED照明应用领域在不断扩张。2002年,LED白光的发光效率为25lm/W,一般是应用在汽车仪表盘中。2004年,光效为40lm/W,应用也随之扩展到手机背光和手电筒。到2006年,LED白光发光效率达到60lm/W,这时汽车内饰(顶灯)照明、户外的景观亮化应用就出现了。到了2008年,LED光效达到了80lm/W,汽车的前大灯、半导体照明灯、大尺寸液晶背光等应用逐渐兴起。到2010年,LED发光效率将达到100lm/W,将会逐渐进入半导体照明时代,户外照明、室内照明、环境照明、特殊照明等一系列应用将逐渐兴起。发光效率的提升带动了LED应用的发展。

  随着各国对环境问题的日益重视,LED照明也越来越受到关注。我们来看一下各国的环境政策和绿色照明计划,中国有“半导体照明工程”;美国有“下一代照明计划”,到2020年把LED光效提高到200lm/W;欧洲的绿色照明计划称为“彩虹计划”;韩国的计划称为“GaN半导体开发计划”。从LED照明技术发展目标看,有两个很重要的时间点,一个是2012年,一个是2020年。2012年,LED光效将达到150lm/W,寿命将从2万小时提升到10万小时,可以替代荧光灯。到2020年,光效将达到200lm/W,可以替代目前全部的照明产品。

  我国是LED的应用大国,因此立足于自主创新的产业发展是推动我国半导体照明发展的关键。在未来的几年,随着LED应用领域的逐渐扩大,中国应该同时加强技术研发,从外延到芯片到封装及应用都应该形成国产化,打破国际专利的封锁,产品不但满足国内市场的需求,甚至外销国际市场。

  经过30多年的发展,中国LED产业在经历了买器件、买芯片、买外延片之路后,现已初步实现了外延片和芯片自主生产,形成了较为完整的产业链。
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