LED光源的研制和市場動態(tài)
陳大華
(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所)
朱同茂
(上海真空電子器件股份有限公司)
前言
20世紀(jì)中葉出現(xiàn)在市場上的第一批LED(Lumi2nousEmittingDiode)發(fā)光二極管,經(jīng)過近50年歷程,技術(shù)上已取得長足的進(jìn)步。發(fā)光效率達(dá)到151m?W,光強(qiáng)達(dá)燭光極,輻射顏色形成包括白色光的多元化色彩、壽命達(dá)數(shù)萬小時(shí),成為光學(xué)光電子新興產(chǎn)業(yè)中極具影響的新產(chǎn)品,在顯示技術(shù)領(lǐng)域中占有其特殊的舉足輕重的一席之地。
我國現(xiàn)代電子工業(yè)正在進(jìn)一步樹立發(fā)展規(guī)模市場經(jīng)濟(jì)的理念。在首選光電子器件等5種新型電子元件發(fā)展規(guī)劃時(shí),考慮以國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化和信息化為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品專業(yè)化大生產(chǎn)和擴(kuò)大出口創(chuàng)匯能力,LED產(chǎn)業(yè)被選擇為光電子器件發(fā)展中的重點(diǎn),同時(shí)認(rèn)為它在產(chǎn)值、產(chǎn)量、規(guī)模效應(yīng)等諸方面應(yīng)占有其應(yīng)有的地位。雖然,目前LED在光電市場僅占有很小的份額,但它的發(fā)展勢頭、其巨大的市場潛力不可低估,國內(nèi)外越來越多的企業(yè)參與這場競爭勢在必行。
為了更有利于我國參與這一競爭,尤其是面臨即將加入WTO的形勢,如何客觀地了解LED光源研制現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,充分剖析國際市場各國參與LED光源市場競爭的動態(tài),是我們決策的重要依據(jù)。為此特撰寫本文與有關(guān)人士商榷和探討,愿有助于我國LED光源產(chǎn)業(yè)的崛起和興旺。
1 LED光源的研制成果
LED原理是在半導(dǎo)體P-n結(jié)處流過正向電流時(shí),能以高的轉(zhuǎn)換效率輻射出200～1550nm范圍的包括紫外、紅外和可見光譜,從而形成一個(gè)實(shí)用的發(fā)光元件。目前可見光(380～780nm)的LED產(chǎn)量以90%的優(yōu)勢占主導(dǎo)地位。
LED以體積小(最小僅幾毫米)、壽命長(幾萬小時(shí))、功耗低(mW)、可靠性高、響應(yīng)速度快(us級)、易與集成電路配用、可在低電位(幾伏電壓)下工作及易實(shí)現(xiàn)固體化,以及輻射光譜豐富、光效和亮度高等優(yōu)點(diǎn),在照明和顯示領(lǐng)域引起人們的極大興趣和重視。
要具體分析LED科研進(jìn)展,我們可先回顧一下半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展歷史。人們一般將Si、Ge稱為第一代電子材料,而將GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等稱為第二代電子材料,寬禁帶(Eg>213eV)半導(dǎo)體材料近年來發(fā)展十分迅速,成為第三代電子材料,主要包括SiC、ZnSe、金剛石和GaN等。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬大,電子漂移飽和速度高,介電常數(shù)小,導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn),非常適于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成電子器件;而利用其特有的禁帶寬度,還可制作藍(lán)、綠光和紫外光的發(fā)光器件和光探測器件。
在寬禁帶半導(dǎo)體材料中,SiC和ZnSe在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)一直是研究和開發(fā)的重點(diǎn),盡管SiC為間接帶隙材料,其藍(lán)色LEDs的發(fā)光亮度很低,但SiC藍(lán)光LEDs在GaN藍(lán)光LEDs實(shí)現(xiàn)商品化之前仍是唯一的商品化的藍(lán)光LEDs產(chǎn)品;而ZnSe材料由于可實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LDs(壽命約為幾個(gè)小時(shí)),更是世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)的掌上明珠。
GaN材料由于受到?jīng)]有合適的單晶襯底材料、位錯(cuò)密度太大、n型本底濃度太高和無法實(shí)現(xiàn)P型摻雜等問題的困擾,曾被認(rèn)為是一種沒有希望的材料,因而發(fā)展十分緩慢。
進(jìn)入90年代之后,隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善,GaN基器件的發(fā)展十分迅速,目前已成為寬帶隙半導(dǎo)體材料中一顆十分耀眼的新星。
首先是在藍(lán)、綠光發(fā)光器件領(lǐng)域取得重大突破。1989年,Nichia公司每年投入300多萬美元用于開發(fā)GaN基藍(lán)光LEDs,并很快結(jié)出碩果。1991年Nichia公司Nakamura等人首先以藍(lán)寶石為襯底,研制成摻Mg的GaN同質(zhì)結(jié)藍(lán)光LEDs,1993年將藍(lán)光發(fā)光亮度提高到1cd,1995年達(dá)到2cd,并于同年實(shí)現(xiàn)綠光LEDs商品化,其亮度達(dá)到6cd。1995年11月,在材料研究會(MRS)主辦的第一屆GaN及其相關(guān)材料國際學(xué)術(shù)會議中,Nakamura展示了用于交通信號燈的LEDs,引起全世界的重視。1997年,Nichia公司研制成功連續(xù)波工作壽命超過10000h的藍(lán)光LDs,更引起全世界的關(guān)注。
在電子器件領(lǐng)域,UCSB大學(xué)研制的GaN,MODFET的施主層厚度僅有20nm,減小了器件的輸入電容,使得012um柵長器件的fsubT達(dá)到50GHz,在10GHz工作下的功率密度為117W?mm,器件性能超過用其它材料制作的HEMT。南卡羅來納州大學(xué)等以SiC為襯底研制的HFET的跨導(dǎo)為142mS?mm,室溫下的功率耗散為016MW?cm2,比以藍(lán)寶石為襯底的同類器件高3倍。
APA光學(xué)公司在1998年初推出世界上第一個(gè)商品化的GaN基UV探測器系列。與傳統(tǒng)Si探測器相比,GaN探測器在可見光范圍內(nèi)的工作要有效得多,且可在300℃的高溫環(huán)境中工作。
隨著藍(lán)、綠光LEDs實(shí)現(xiàn)商品化,目前開發(fā)GaN器件的焦點(diǎn)更多的集中在實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LDs上。世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都投巨資加入到GaN藍(lán)光LDs的開發(fā)中,力爭最遲到2000年實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LDs商品化。
隨著國內(nèi)外半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展和開拓,新工藝和新技術(shù)伴隨著發(fā)光機(jī)制理論的進(jìn)展也不斷取得新成就,各種顏色的超高亮度(20mA、法向光強(qiáng)1000mcd)LED取得突破性進(jìn)展,并迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。LED光效較初始產(chǎn)品提高1000倍、達(dá)到501m?W,光色已實(shí)現(xiàn)可見光波段的所有顏色,包括白色LED光源。LED光源的研究已獲得可喜的成果和優(yōu)異的性能,引起科技界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注,被認(rèn)為是21世紀(jì)最有價(jià)值的新光源。
2 LED光源的推廣應(yīng)用及其市場前景
隨著LED科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,自1994年起以新型可見光材料InGaAlP和InGaN為主流,實(shí)現(xiàn)了高亮度、多色化,加之封裝技術(shù)的改進(jìn)、顯示信息大型化,開拓了LED產(chǎn)品新的應(yīng)用領(lǐng)域,帶來更多的市場商機(jī)。這些LED新產(chǎn)品由室內(nèi)提升到戶外使用,能在陽光強(qiáng)烈的場合下清晰顯示,發(fā)光效率極高,光強(qiáng)超過1000mcd,同時(shí)滿足了全彩色顯示和便攜產(chǎn)品低功耗要求。其具體應(yīng)用主要在如下方面:
(1)交通信號燈和交通信息顯示板的應(yīng)用
超高亮度的紅光、黃光和綠光等LED光源,具有亮度高、光響應(yīng)速度快、抗震耐沖擊、省電、壽命長、在濃霧與日光下可視性高等優(yōu)點(diǎn)。首先在一般道路上作交通信號燈和在高速公路上用于交通信息顯示板方面取得顯著突破,接著將給鐵路、公路、航運(yùn)信號燈帶來變化。根據(jù)NIKKELELECTRONICS資料顯示,目前全世界約有2000萬套交通信號燈,每一套燈預(yù)計(jì)需要使用150顆LEDs,故一套紅、黃、綠燈約需要450顆LEDs,如果再考慮每年新設(shè)或舊有更換交通信號燈數(shù)目,每年大約200萬套,每套更新成本約400美元,估計(jì)每年約有815億美元的銷售市場,這對于高亮度發(fā)光二極管而言,將是較為重要的發(fā)展市場。
(2)汽車車燈的應(yīng)用
汽車使用的白熾燈不耐振動、撞擊,極易損壞,使用壽命短,經(jīng)常需更換。自1987年起,我國開始在汽車上安裝高位剎車燈。此外,汽車尾燈、方向燈、剎車燈、車邊標(biāo)示燈、車內(nèi)頂燈都可使用高亮度鋁鎵銦磷紅光和黃光LEDs。汽車儀表板可用貼面封裝的LEDs作背光源。預(yù)計(jì)自2001年起,若全世界每年生產(chǎn)的汽車有20%也就是1000萬輛采用LEDs作光源,以一輛汽車需使用180個(gè)高亮度LED計(jì)算,則每年約需18億個(gè)高亮度LED,這將會給LED產(chǎn)業(yè)每年帶來約315億美元的銷售收入。
(3)LCD的背光源
LED作為LCD背景光源應(yīng)用,具有壽命長、發(fā)光效率高、無干擾和性價(jià)比高等特點(diǎn),在電子手表、手機(jī)、BP機(jī)、電子計(jì)算器、刷卡機(jī)以及車內(nèi)儀表照明廣泛應(yīng)用。隨著便攜式電子產(chǎn)品日趨小型化,LED背景光源更具優(yōu)勢。在手機(jī)中選用LED背光源,促進(jìn)背光源制作技術(shù)向更薄型、低功耗、均勻一致方面發(fā)展。LED側(cè)部背景光板的厚度可做到017～315mm,發(fā)光效率達(dá)到50%～70%,并且有綠光、紅光、藍(lán)光及各種混合光色供選用,不久可能出現(xiàn)厚度與場致發(fā)光(EL)相同的超薄背景光源。
(4)全彩色顯示屏的應(yīng)用
近年來,隨著高亮度四元LEDs和高亮度藍(lán)、綠光LEDs的工藝技術(shù)不斷進(jìn)步、產(chǎn)量不斷擴(kuò)大,實(shí)現(xiàn)了大型全彩色顯示屏的推廣應(yīng)用。LED顯示屏從單色、多色顯示發(fā)展到全彩色顯示,從室內(nèi)屏發(fā)展到戶外屏,在成本許可的條件下,屏幕尺寸可以做到盡可能大。目前戶外廣告顯示屏、運(yùn)動場、賽馬場和大型演唱會現(xiàn)場實(shí)況轉(zhuǎn)播都廣泛地使用了LED全彩色顯示屏。
(5)照明光源的開拓應(yīng)用
近年來LED在高亮度化和多色化方面取得突出進(jìn)展,使人們看到LED發(fā)光效率已超過白熾燈,而且得到了超高亮度的日光色。人們紛紛預(yù)測LED將成為21世紀(jì)照明光源。
家用照明所需的是近于日光色的LED光源,這已成為世界各地?zé)艟摺⒐庠囱芯繖C(jī)構(gòu)競相開發(fā)、努力獲取的技術(shù)目標(biāo)。目前已有幾家著名公司先后推出此類光源樣品。例如,日本Nichia公司在1998年推出的白光LED樣品,雖然光效僅為7lm?W,但其色溫達(dá)到6000～6500K,顯色指數(shù)85,已接近日光參數(shù)。日本通商產(chǎn)業(yè)省在1998年投資50億日元啟動國家項(xiàng)目“21世紀(jì)的照明”,在世界率先開展日光色LEDs作為照明光源實(shí)用化的研究,該發(fā)展計(jì)劃將產(chǎn)生更加適應(yīng)市場需要的LED照明設(shè)備,計(jì)劃從2005年起,逐步取代白熾燈和熒光燈。同時(shí),歐洲的Philips、Osram、Siemens等多家公司也全力角逐這一市場。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)2005～2010年全球LED照明市場規(guī)模將逾10億美元。
3 LED光源市場動態(tài)
根據(jù)PIDA資料分析,對世界各國LED產(chǎn)業(yè)競爭力進(jìn)行綜合評估,排列次序?yàn)槿毡?綜合評估值4150)、美國(2198)、我國臺灣省(2130)、歐盟(2108)、韓國(1144)、中國大陸(1102)。日本仍具有絕對優(yōu)勢,美國研究開發(fā)擁有的技術(shù)實(shí)力處于領(lǐng)先地位,臺灣則在產(chǎn)量上占有優(yōu)勢,我國大陸處于新興發(fā)展階段。
臺灣LED產(chǎn)值1996年首次超過100億元新臺幣之后,僅隔兩年即1998年其產(chǎn)值已超過200億元新臺幣。在進(jìn)入21世紀(jì)時(shí),臺灣的產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍將飛躍成長。臺灣憑借快速建立產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、快速將產(chǎn)品推向國際市場的優(yōu)勢,在世界LED產(chǎn)業(yè)中僅居美國、日本之后,位居世界第三。
我國大陸雖然在整個(gè)LED和LD產(chǎn)業(yè)的競爭力較低,但由于政府對高科技產(chǎn)業(yè)的大力支持,對基礎(chǔ)光電科學(xué)研究的長期投入,加上具有充裕的人力資源和龐大的市場基礎(chǔ),已成為國際矚目的新焦點(diǎn)。在LEDs和LDs方面,我國也擁有自主的核心技術(shù),將很快地脫離組裝階段,走上LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新階段。
行業(yè)資料顯示,目前我國大陸從事LEDs研究開發(fā)、材料生長、芯片制造、器件封裝以及產(chǎn)品應(yīng)用的單位將近300家,從業(yè)人員已超過115萬人,其中工程技術(shù)人員占二成,固定資產(chǎn)7億多元人民幣,已初步形成LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模。目前從事超高亮度InGaAlP外延片生產(chǎn)的單位有:河北匯能電子有限公司、山東華光光電子有限公司、上海華億光電子有限公司、華南師大亮達(dá)光電器件公司、廣州普光科技有限公司等。從事芯片制造的單位有:信息產(chǎn)業(yè)部電子13所、河北新息電子有限公司、南昌欣磊光電科技有限公司、上海北大蘭光科技有限公司、上海金橋大晨科技有限公司、上海蘭寶光電材料有限公司、方大集團(tuán)等。從事器件封裝的單位有150多家。從事LED顯示屏的廠商超過100家。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),1998年制造各類顯示屏約5萬平方米,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值14億元。主要生產(chǎn)廠家有:北京蘭通、南京洛普、上海信茂、上海三思科技、東北微電子、西安青松、天津數(shù)據(jù)、深圳同洲等。下面介紹幾個(gè)LED光源生產(chǎn)公司。
(1)河北立德電子有限公司:是由河北省建設(shè)投資公司和信息產(chǎn)業(yè)部電子第十三研究所合資組建的有限責(zé)任公司。該公司充分利用資金優(yōu)勢和十三所的技術(shù)優(yōu)勢,將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。該公司主要生產(chǎn)InGaAlP四元系紅、黃光超高亮度LED外延片和芯片;主要生產(chǎn)設(shè)備均由國外引進(jìn)。公司正在研制開發(fā)的藍(lán)、綠光LED芯片制造技術(shù)是國家“863”高科技項(xiàng)目之一。
(2)匯能集團(tuán)、匯能光電有限公司:是從事?-?族化合物半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)料制造的專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè),擁有從德國引進(jìn)的AIXTROX-2400型MOVPE設(shè)備。目前該公司主要生產(chǎn)InGaAlP紅、黃光超高亮度LED外延片。
(3)南昌欣磊光電科技有限公司:是國內(nèi)能夠大批量生產(chǎn)半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED、IRLED)芯片的廠家,由江西江南材料廠(國營七四六廠)與香港達(dá)華中外有限公司共同投資。
公司生產(chǎn)AU、AI兩大電極系列芯片。主要產(chǎn)品為磷化鎵紅、綠系列芯片;磷砷化鎵橙、黃系列芯片;鎵鋁砷紅外系列芯片;鎵鋁砷高亮紅系列芯片、鋁鎵銦磷四元系紅、黃超亮系列芯片;各種LED封裝產(chǎn)品。1999年芯片生產(chǎn)突破10億顆大關(guān)。
(4)長春半導(dǎo)體股份公司:其前身是創(chuàng)建于1964年的長春半導(dǎo)體廠,是我國研制、生產(chǎn)半導(dǎo)體發(fā)光材料、器件的重點(diǎn)骨干企業(yè),是國內(nèi)唯一可從事發(fā)光材料(外延片)、芯片、成品管、顯示器一條龍生產(chǎn)的專業(yè)公司,是國家定點(diǎn)的半導(dǎo)體發(fā)光材料和器件研究、生產(chǎn)基地。公司現(xiàn)有發(fā)光材料、發(fā)光二極管、點(diǎn)陣和數(shù)碼管、像素管、光電應(yīng)用產(chǎn)品以及微波和光電晶體管等6條生產(chǎn)線。
(5)寧波愛米達(dá)電子有限公司:是專業(yè)生產(chǎn)各類光電器件的制造商,由寧波晶體管廠和臺灣顯明電子有限公司于1990年共同投資組建。公司專業(yè)生產(chǎn)各種發(fā)光二極管、紅外發(fā)射二極管、光敏接收二極管、像素管、數(shù)碼管、電陣塊、LED平板顯示器及背光源等光電產(chǎn)品。
公司引進(jìn)國外先進(jìn)的光電器件專業(yè)生產(chǎn)線,自動化程度高,同時(shí)采用先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和完善的質(zhì)量控制系統(tǒng),不斷開發(fā)新產(chǎn)品,提高產(chǎn)品質(zhì)量,現(xiàn)年產(chǎn)各類光電器件3億只以上,其中80%外銷,產(chǎn)品在國內(nèi)外享有盛譽(yù)。
(6)南京洛普股份有限公司:是國內(nèi)較早成立的以信息技術(shù)為依托的高科技企業(yè),專業(yè)從事大型公眾信息顯示系統(tǒng)和電子信息系統(tǒng)集成。在國內(nèi)的服務(wù)對象多為政府投資的大型基建項(xiàng)目,并擁有前景廣闊的海外市場,現(xiàn)為國內(nèi)最大的LED平板顯示制造中心,是國際電子顯示協(xié)會會員。顯示系統(tǒng)是公司的基本支柱產(chǎn)業(yè),其技術(shù)先進(jìn)性和市場占有率一直居國內(nèi)領(lǐng)先地位,其所獨(dú)有的二次反Χ校正,色度矯正,視音頻自動點(diǎn)播系統(tǒng)等技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。洛普公司除已承擔(dān)國內(nèi)著名工程中的大型顯示系統(tǒng)以外,1994年開始,LED顯示屏已批量出口歐洲、美國、東南亞、南非、中亞等地,而今年出口總值將首次超過國內(nèi)銷售總額,在本行業(yè)中獲得較高的國際知名度。
近三年來,我國大陸LED產(chǎn)業(yè)平均增長率大于30%,尤其是1996年之后增長較快,1998年實(shí)現(xiàn)銷售收入22144億,比上年增長13144%,產(chǎn)量65109億只,比上年增長512%,產(chǎn)值35189億元。既形成了產(chǎn)業(yè)規(guī)模,又帶動了周邊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。除LED芯片外,主要原材料、零部件,所需的儀器設(shè)備國內(nèi)均可生產(chǎn)供應(yīng),我國許多高校、研究所在發(fā)光材料、新型結(jié)構(gòu)、新器件、新應(yīng)用等方面做了大量研究工作,取得了很多成果,1998年完成科研開發(fā)、技術(shù)改造250余項(xiàng),某些成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。
另外,國際上LED光源市場發(fā)展也很快。受巨大的潛在市場驅(qū)動,荷蘭飛利浦公司(占股51%)與美國HP公司成立合資公司;美國奇異公司與EMCORE公司成立合資公司;德國歐司朗公司(占股51%)與西門子公司成立合資公司;日本也成立多家合資公司,都以生產(chǎn)LED光源和爭奪該產(chǎn)品的廣闊市場為主要目標(biāo)。國際上,1999年歐洲召開了有關(guān)LED的國際科技學(xué)術(shù)會議。
4 結(jié)束語
由于發(fā)光二極管產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新的應(yīng)用領(lǐng)域,呈現(xiàn)出朝陽工業(yè)欣欣向榮的景象,相信在本世紀(jì)的頭十年中,LED產(chǎn)業(yè)會按以下方向持續(xù)迅速發(fā)展:
(1)企業(yè)會在超高亮度、全彩色技術(shù)方面擴(kuò)張投資,提高產(chǎn)量,從業(yè)人員會有增加,我國(包括臺灣和香港地區(qū))將成為世界LED的主要產(chǎn)地,預(yù)計(jì)占世界總量的六成以上,超高亮度LED會有30%速度增長,而傳統(tǒng)LED也會有5%～10%速度的增長。
(2)由于許多色別的發(fā)光二極管的光強(qiáng)目前都達(dá)到燭光極水平,相信隨著器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、發(fā)光效率的飛速提高,今后LED發(fā)展的主流是照明光源,將在一些領(lǐng)域取代白熾燈,與其它光源互補(bǔ)、并存、共同發(fā)展。面臨著照明光源的變革,LED有可能是21世紀(jì)的主要照明光源。
(3)世界光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動LED應(yīng)用領(lǐng)域的變化發(fā)展。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,會有更多的資金投向LED的研究和生產(chǎn),現(xiàn)有超高亮度、藍(lán)色、綠色LED的技術(shù)為少數(shù)企業(yè)壟斷的局面將會被打破,產(chǎn)品成本會大幅度下降,從而促進(jìn)市場的再開發(fā)、應(yīng)用的再拓展。可以相信,半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)不會被其它技術(shù)產(chǎn)品所取代,將會繼續(xù)以其特有的優(yōu)勢,迅猛異常地向前發(fā)展。