前言
20世纪中叶出现在市场上的第一批LED(Lumi2nousEmittingDiode)发光二极管,经过近50年历程,技术上已取得长足的进步。发光效率达到151m??W,光强达烛光极,辐射颜色形成包括白色光的多元化色彩、寿命达数万小时,成为光学光电子新兴产业中极具影响的新产品,在显示技术领域中占有其特殊的举足轻重的一席之地。
我国现代电子工业正在进一步树立发展规模市场经济的理念。在首选光电子器件等5种新型电子元件发展规划时,考虑以国民经济现代化和信息化为目标,实现产品专业化大生产和扩大出口创汇能力,LED产业被选择为光电子器件发展中的重点,同时认为它在产值、产量、规模效应等诸方面应占有其应有的地位。虽然,目前LED在光电市场仅占有很小的份额,但它的发展势头、其巨大的市场潜力不可低估,国内外越来越多的企业参与这场竞争势在必行。
为了更有利于我国参与这一竞争,尤其是面临即将加入WTO的形势,如何客观地了解LED光源研制现状和发展趋势,充分剖析国际市场各国参与LED光源市场竞争的动态,是我们决策的重要依据。为此特撰写本文与有关人士商榷和探讨,愿有助于我国LED光源产业的崛起和兴旺。
1 LED光源的研制成果
LED原理是在半导体P-n结处流过正向电流时,能以高的转换效率辐射出200～1550nm范围的包括紫外、红外和可见光谱,从而形成一个实用的发光元件。目前可见光(380～780nm)的LED产量以90%的优势占主导地位。
LED以体积小(最小仅几毫米)、寿命长(几万小时)、功耗低(mW)、可靠性高、响应速度快(us级)、易与集成电路配用、可在低电位(几伏电压)下工作及易实现固体化,以及辐射光谱丰富、光效和亮度高等优点,在照明和显示领域引起人们的极大兴趣和重视。
要具体分析LED科研进展,我们可先回顾一下半导体工业的发展历史。人们一般将Si、Ge称为第一代电子材料,而将GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等称为第二代电子材料,宽禁带(Eg>213eV)半导体材料近年来发展十分迅速,成为第三代电子材料,主要包括SiC、ZnSe、金刚石和GaN等。宽禁带半导体材料具有禁带宽大,电子漂移饱和速度高,介电常数小,导热性能好等优点,非常适于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成电子器件;而利用其特有的禁带宽度,还可制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。
在宽禁带半导体材料中,SiC和ZnSe在相当长的一段时间内一直是研究和开发的重点,尽管SiC为间接带隙材料,其蓝色LEDs的发光亮度很低,但SiC蓝光LEDs在GaN蓝光LEDs实现商品化之前仍是唯一的商品化的蓝光LEDs产品;而ZnSe材料由于可实现蓝光LDs(寿命约为几个小时),更是世界各大公司和研究机构的掌上明珠。
GaN材料由于受到没有合适的单晶衬底材料、位错密度太大、n型本底浓度太高和无法实现P型掺杂等问题的困扰,曾被认为是一种没有希望的材料,因而发展十分缓慢。
进入90年代之后,随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善,GaN基器件的发展十分迅速,目前已成为宽带隙半导体材料中一颗十分耀眼的新星。
首先是在蓝、绿光发光器件领域取得重大突破。1989年,Nichia公司每年投入300多万美元用于开发GaN基蓝光LEDs,并很快结出硕果。1991年Nichia公司Nakamura等人首先以蓝宝石为衬底,研制成掺Mg的GaN同质结蓝光LEDs,1993年将蓝光发光亮度提高到1cd,1995年达到2cd,并于同年实现绿光LEDs商品化,其亮度达到6cd。1995年11月,在材料研究会(MRS)主办的第一届GaN及其相关材料国际学术会议中,Nakamura展示了用于交通信号灯的LEDs,引起全世界的重视。1997年,Nichia公司研制成功连续波工作寿命超过10000h的蓝光LDs,更引起全世界的关注。
在电子器件领域,UCSB大学研制的GaN,MODFET的施主层厚度仅有20nm,减小了器件的输入电容,使得012um栅长器件的fsubT达到50GHz,在10GHz工作下的功率密度为117W??mm,器件性能超过用其它材料制作的HEMT。南卡罗来纳州大学等以SiC为衬底研制的HFET的跨导为142mS??mm,室温下的功率耗散为016MW??cm2,比以蓝宝石为衬底的同类器件高3倍。
APA光学公司在1998年初推出世界上第一个商品化的GaN基UV探测器系列。与传统Si探测器相比,GaN探测器在可见光范围内的工作要有效得多,且可在300℃的高温环境中工作。
随着蓝、绿光LEDs实现商品化,目前开发GaN器件的焦点更多的集中在实现蓝光LDs上。世界各大公司和研究机构都投巨资加入到GaN蓝光LDs的开发中,力争最迟到2000年实现蓝光LDs商品化。
随着国内外半导体工业的发展和开拓,新工艺和新技术伴随着发光机制理论的进展也不断取得新成就,各种颜色的超高亮度(20mA、法向光强1000mcd)LED取得突破性进展,并迅速实现产业化。LED光效较初始产品提高1000倍、达到501m??W,光色已实现可见光波段的所有颜色,包括白色LED光源。LED光源的研究已获得可喜的成果和优异的性能,引起科技界和产业界的极大关注,被认为是21世纪最有价值的新光源。
2 LED光源的推广应用及其市场前景
随着LED科学和工业技术的发展,自1994年起以新型可见光材料InGaAlP和InGaN为主流,实现了高亮度、多色化,加之封装技术的改进、显示信息大型化,开拓了LED产品新的应用领域,带来更多的市场商机。这些LED新产品由室内提升到户外使用,能在阳光强烈的场合下清晰显示,发光效率极高,光强超过1000mcd,同时满足了全彩色显示和便携产品低功耗要求。其具体应用主要在如下方面:
(1)交通信号灯和交通信息显示板的应用
超高亮度的红光、黄光和绿光等LED光源,具有亮度高、光响应速度快、抗震耐冲击、省电、寿命长、在浓雾与日光下可视性高等优点。首先在一般道路上作交通信号灯和在高速公路上用于交通信息显示板方面取得显著突破,接着将给铁路、公路、航运信号灯带来变化。根据NIKKELELECTRONICS资料显示,目前全世界约有2000万套交通信号灯,每一套灯预计需要使用150颗LEDs,故一套红、黄、绿灯约需要450颗LEDs,如果再考虑每年新设或旧有更换交通信号灯数目,每年大约200万套,每套更新成本约400美元,估计每年约有815亿美元的销售市场,这对于高亮度发光二极管而言,将是较为重要的发展市场。
(2)汽车车灯的应用
汽车使用的白炽灯不耐振动、撞击,极易损坏,使用寿命短,经常需更换。自1987年起,我国开始在汽车上安装高位刹车灯。此外,汽车尾灯、方向灯、刹车灯、车边标示灯、车内顶灯都可使用高亮度铝镓铟磷红光和黄光LEDs。汽车仪表板可用贴面封装的LEDs作背光源。预计自2001年起,若全世界每年生产的汽车有20%也就是1000万辆采用LEDs作光源,以一辆汽车需使用180个高亮度LED计算,则每年约需18亿个高亮度LED,这将会给LED产业每年带来约315亿美元的销售收入。
(3)LCD的背光源
LED作为LCD背景光源应用,具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点,在电子手表、手机、BP机、电子计算器、刷卡机以及车内仪表照明广泛应用。随着便携式电子产品日趋小型化,LED背景光源更具优势。在手机中选用LED背光源,促进背光源制作技术向更薄型、低功耗、均匀一致方面发展。LED侧部背景光板的厚度可做到017～315mm,发光效率达到50%～70%,并且有绿光、红光、蓝光及各种混合光色供选用,不久可能出现厚度与场致发光(EL)相同的超薄背景光源。
(4)全彩色显示屏的应用
近年来,随着高亮度四元LEDs和高亮度蓝、绿光LEDs的工艺技术不断进步、产量不断扩大,实现了大型全彩色显示屏的推广应用。LED显示屏从单色、多色显示发展到全彩色显示,从室内屏发展到户外屏,在成本许可的条件下,屏幕尺寸可以做到尽可能大。目前户外广告显示屏、运动场、赛马场和大型演唱会现场实况转播都广泛地使用了LED全彩色显示屏。
(5)照明光源的开拓应用
近年来LED在高亮度化和多色化方面取得突出进展,使人们看到LED发光效率已超过白炽灯,而且得到了超高亮度的日光色。人们纷纷预测LED将成为21世纪照明光源。
家用照明所需的是近于日光色的LED光源,这已成为世界各地灯具、光源研究机构竞相开发、努力获取的技术目标。目前已有几家著名公司先后推出此类光源样品。例如,日本Nichia公司在1998年推出的白光LED样品,虽然光效仅为7lm??W,但其色温达到6000～6500K,显色指数85,已接近日光参数。日本通商产业省在1998年投资50亿日元启动国家项目“21世纪的照明”,在世界率先开展日光色LEDs作为照明光源实用化的研究,该发展计划将产生更加适应市场需要的LED照明设备,计划从2005年起,逐步取代白炽灯和荧光灯。同时,欧洲的Philips、Osram、Siemens等多家公司也全力角逐这一市场。业内人士预计2005～2010年全球LED照明市场规模将逾10亿美元。
3 LED光源市场动态
根据PIDA资料分析,对世界各国LED产业竞争力进行综合评估,排列次序为日本(综合评估值4150)、美国(2198)、我国台湾省(2130)、欧盟(2108)、韩国(1144)、中国大陆(1102)。日本仍具有绝对优势,美国研究开发拥有的技术实力处于领先地位,台湾则在产量上占有优势,我国大陆处于新兴发展阶段。
台湾LED产值1996年首次超过100亿元新台币之后,仅隔两年即1998年其产值已超过200亿元新台币。在进入21世纪时,台湾的产业规模仍将飞跃成长。台湾凭借快速建立产业基础、快速将产品推向国际市场的优势,在世界LED产业中仅居美国、日本之后,位居世界第三。
我国大陆虽然在整个LED和LD产业的竞争力较低,但由于政府对高科技产业的大力支持,对基础光电科学研究的长期投入,加上具有充裕的人力资源和庞大的市场基础,已成为国际瞩目的新焦点。在LEDs和LDs方面,我国也拥有自主的核心技术,将很快地脱离组装阶段,走上LED产业发展的新阶段。
行业资料显示,目前我国大陆从事LEDs研究开发、材料生长、芯片制造、器件封装以及产品应用的单位将近300家,从业人员已超过115万人,其中工程技术人员占二成,固定资产7亿多元人民币,已初步形成LED产业规模。目前从事超高亮度InGaAlP外延片生产的单位有:河北汇能电子有限公司、山东华光光电子有限公司、上海华亿光电子有限公司、华南师大亮达光电器件公司、广州普光科技有限公司等。从事芯片制造的单位有:信息产业部电子13所、河北新息电子有限公司、南昌欣磊光电科技有限公司、上海北大兰光科技有限公司、上海金桥大晨科技有限公司、上海兰宝光电材料有限公司、方大集团等。从事器件封装的单位有150多家。从事LED显示屏的厂商超过100家。据不完全统计,1998年制造各类显示屏约5万平方米,实现产值14亿元。主要生产厂家有:北京兰通、南京洛普、上海信茂、上海三思科技、东北微电子、西安青松、天津数据、深圳同洲等。下面介绍几个LED光源生产公司。
(1)河北立德电子有限公司:是由河北省建设投资公司和信息产业部电子第十三研究所合资组建的有限责任公司。该公司充分利用资金优势和十三所的技术优势,将科研成果转化为生产力。该公司主要生产InGaAlP四元系红、黄光超高亮度LED外延片和芯片;主要生产设备均由国外引进。公司正在研制开发的蓝、绿光LED芯片制造技术是国家“863”高科技项目之一。
(2)汇能集团、汇能光电有限公司:是从事??-??族化合物半导体微结构料制造的专业化生产企业,拥有从德国引进的AIXTROX-2400型MOVPE设备。目前该公司主要生产InGaAlP红、黄光超高亮度LED外延片。
(3)南昌欣磊光电科技有限公司:是国内能够大批量生产半导体发光器件(LED、IRLED)芯片的厂家,由江西江南材料厂(国营七四六厂)与香港达华中外有限公司共同投资。公司生产AU、AI两大电极系列芯片。主要产品为磷化镓红、绿系列芯片;磷砷化镓橙、黄系列芯片;镓铝砷红外系列芯片;镓铝砷高亮红系列芯片、铝镓铟磷四元系红、黄超亮系列芯片;各种LED封装产品。1999年芯片生产突破10亿颗大关。
(4)长春半导体股份公司:其前身是创建于1964年的长春半导体厂,是我国研制、生产半导体发光材料、器件的重点骨干企业,是国内唯一可从事发光材料(外延片)、芯片、成品管、显示器一条龙生产的专业公司,是国家定点的半导体发光材料和器件研究、生产基地。公司现有发光材料、发光二极管、点阵和数码管、像素管、光电应用产品以及微波和光电晶体管等6条生产线。
(5)宁波爱米达电子有限公司:是专业生产各类光电器件的制造商,由宁波晶体管厂和台湾显明电子有限公司于1990年共同投资组建。公司专业生产各种发光二极管、红外发射二极管、光敏接收二极管、像素管、数码管、电阵块、LED平板显示器及背光源等光电产品。
公司引进国外先进的光电器件专业生产线,自动化程度高,同时采用先进生产技术和完善的质量控制系统,不断开发新产品,提高产品质量,现年产各类光电器件3亿只以上,其中80%外销,产品在国内外享有盛誉。
(6)南京洛普股份有限公司:是国内较早成立的以信息技术为依托的高科技企业,专业从事大型公众信息显示系统和电子信息系统集成。在国内的服务对象多为政府投资的大型基建项目,并拥有前景广阔的海外市场,现为国内最大的LED平板显示制造中心,是国际电子显示协会会员。显示系统是公司的基本支柱产业,其技术先进性和市场占有率一直居国内领先地位,其所独有的二次反Χ校正,色度矫正,视音频自动点播系统等技术处于国际领先水平。洛普公司除已承担国内著名工程中的大型显示系统以外,1994年开始,LED显示屏已批量出口欧洲、美国、东南亚、南非、中亚等地,而今年出口总值将首次超过国内销售总额,在本行业中获得较高的国际知名度。
近三年来,我国大陆LED产业平均增长率大于30%,尤其是1996年之后增长较快,1998年实现销售收入22144亿,比上年增长13144%,产量65109亿只,比上年增长512%,产值35189亿元。既形成了产业规模,又带动了周边产业的发展。除LED芯片外,主要原材料、零部件,所需的仪器设备国内均可生产供应,我国许多高校、研究所在发光材料、新型结构、新器件、新应用等方面做了大量研究工作,取得了很多成果,1998年完成科研开发、技术改造250余项,某些成果达到国际先进水平。
另外,国际上LED光源市场发展也很快。受巨大的潜在市场驱动,荷兰飞利浦公司(占股51%)与美国HP公司成立合资公司;美国奇异公司与EMCORE公司成立合资公司;德国欧司朗公司(占股51%)与西门子公司成立合资公司;日本也成立多家合资公司,都以生产LED光源和争夺该产品的广阔市场为主要目标。国际上,1999年欧洲召开了有关LED的国际科技学术会议。
4 结束语
由于发光二极管产业不断涌现新技术、新产品、新的应用领域,呈现出朝阳工业欣欣向荣的景象,相信在本世纪的头十年中,LED产业会按以下方向持续迅速发展:
(1)企业会在超高亮度、全彩色技术方面扩张投资,提高产量,从业人员会有增加,我国(包括台湾和香港地区)将成为世界LED的主要产地,预计占世界总量的六成以上,超高亮度LED会有30%速度增长,而传统LED也会有5%～10%速度的增长。
(2)由于许多色别的发光二极管的光强目前都达到烛光极水平,相信随着器件结构的改进、发光效率的飞速提高,今后LED发展的主流是照明光源,将在一些领域取代白炽灯,与其它光源互补、并存、共同发展。面临着照明光源的变革,LED有可能是21世纪的主要照明光源。
(3)世界光电子产业的发展推动LED应用领域的变化发展。随着产业的发展,会有更多的资金投向
LED的研究和生产,现有超高亮度、
蓝色、绿色LED的技术为少数企业垄断的局面将会被打破,产品成本会大幅度下降,从而促进市场的再开发、应用的再拓展。
可以相信,半导体发光技术不会被其它技术产品所取代,将会继续以其特有的优势,迅猛异常地向前发展。