李晉閩半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概述深圳報告版

半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概述李晉閩中國科學院半導體研究所2011年4月9日目錄一、半導體照明的意義和發(fā)展歷程二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況三、目前存在的問題四、半導體照明“十二五”的發(fā)展目標與任務結(jié)束語目錄一、半導體照明的意義和發(fā)展歷程二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況三、目前存在的問題四、半導體照明“十二五”的發(fā)展目標與任務結(jié)束語一、半導體照明的意義和發(fā)展歷程前電力時代的人類照明：公元前7萬年：石頭＋苔蘚＋動物脂肪

——人類第一盞燈；公元前7世紀：希臘人——陶器燈（Lampas——Lamp）；公元1783年：瑞士化學家AmiArgand、植物油、燈芯公元1853年：德國首次引入煤油照明。電力時代（電燈）：

1801年，英國的HumphreyDavy發(fā)明了電弧燈，電燈先驅(qū)。1857年，法國的A.E.Becquerel提出了熒光照明的理論。1879年，愛迪生、白熾燈，歷史上第一只真正的電燈。1927年，HansSpanner申請了第一盞日光燈的專利。

1878年當愛迪生宣布自己正在研究用電來照明時，當時用來照明的煤油的股票價格急劇下跌，1879愛迪生成功制備了第一個白熾燈，人類照明從此進入了一個新的時代：電力照明時代。一、半導體照明的意義和發(fā)展歷程620世紀我們生活方式產(chǎn)生重大影響工業(yè)化的三大發(fā)明一、半導體照明的意義和發(fā)展歷程資料來源：第七屆國際半導體照明論壇報告，2010年10月深圳藍寶石、碳化硅、硅等襯底材料P電極N電極GaN有源發(fā)光區(qū)LED芯片結(jié)構與發(fā)光原理價格高，下降快光效（lm/W）IncandescentFluorescentHalogenReflector白熾燈15流明/瓦白光LED100流明/瓦鹵素燈～30流明/瓦050100150200192019401960198020002020熒光燈～80流明/瓦耗電量少、壽命長、色彩豐富、耐震動、可控性強目前光效已超過白熾燈、鹵素燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源海茨法則（每10年價格下降到原來的1/10，性能提高20倍）半導體照明技術——光的革命EgΔEcΔEv半導體輻射復合——電子空穴對有效復合半導體照明如何發(fā)光？一、半導體照明的意義和發(fā)展歷程產(chǎn)業(yè)鏈長，多學科、多領域交叉融合新興產(chǎn)業(yè)

中游下游上游襯底材料：GaAs、藍寶石、SiC、Si

外延材料氮化鎵基磷化鎵基砷化鎵基MO源材料：高純氮/氨、三甲基鎵、二乙基銦等MOCVD等裝備LED芯片紅光LED黃光LED藍光LED綠光LED白光LED…LED封裝

應用指示、顯示（已經(jīng)成熟）汽車、背光（剛剛起步）功能性照明（日趨成熟）農(nóng)業(yè)、醫(yī)療（研發(fā)階段）熒光粉、硅膠、環(huán)氧樹脂、引線支架等系統(tǒng)二次光學設計、熱學設計、驅(qū)動控制電路等芯片工藝裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段100年發(fā)展高端應用產(chǎn)業(yè)----白光照明等（100lm/W400lm/W）中低端應用產(chǎn)業(yè)----指示顯示等（20lm/W）10年50年上世紀60年代初上世紀90年代末半導體照明-戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)半導體照明的應用演變年代光效裝飾照明功能性照明19701980199020002010信號指示

電子化社會

能源與環(huán)境

安全系統(tǒng)醫(yī)療與保健

交通與汽車

食品與農(nóng)業(yè)半導體照明應用將超越照明健康綠色光源無汞等有害物質(zhì)，無紅外、紫外輻射照明占全球能源消耗的8.9%，占電力消耗的19%，對GDP的貢獻率僅是0.63%。采用半導體照明，2050年的照明用電維持在2005年水平，但對GDP貢獻率上升到1.63%（美國桑迪亞國家實驗室，2007年7月）。2010年中國發(fā)電總量4.206萬億度，其中照明用電占12%(~5000億度)，是世界第二大電力消耗大國，80%是火力發(fā)電2015年：如果LED燈具光效120lm/W，占有20%以上照明市場，中國每年將節(jié)電1000億度，相當于2015年可少建設100萬千瓦電站21座，約減少30%的新增電站2020年：如果LED燈具光效達到150lm/W，占有50%照明市場，中國將年節(jié)電3400億度（每年節(jié)約４個三峽的發(fā)電量），相當于少建設100萬千瓦電站73座，不用再新增電站。半導體照明節(jié)能效果已經(jīng)顯現(xiàn)：景觀照明節(jié)電70%，隧道照明節(jié)電40%，道路照明節(jié)電30%。節(jié)能潛力巨大，環(huán)保效果顯著節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟高成長性、高帶動性的新興產(chǎn)業(yè)SSL將改變光電子與微電子產(chǎn)業(yè)GDP懸殊的局面目錄一、半導體照明的意義和發(fā)展歷程二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況三、目前存在的問題四、半導體照明“十二五”的發(fā)展目標與任務結(jié)束語我國LED重大裝備、襯底和外延材料、芯片制造、器件封裝以及應用等方面均已顯現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權的單元技術，部分核心技術具有原創(chuàng)性，初步形成了從上游材料、中游芯片制備、下游器件封裝及集成應用的比較完整的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)體系，為我國LED產(chǎn)業(yè)做大做強在一定程度上奠定了基礎。二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況實現(xiàn)150lm/W的主流技術路線藍寶石襯底PSS緩變成核技術量子阱局域化p-AlGaInNITOZnOSurfaceRoughingODRInGaN成核技術ODR轉(zhuǎn)移襯底制備技術GaN深刻蝕隔離激光剝離n-GaN歐姆接觸高效封裝150lm/W臺面結(jié)構垂直結(jié)構關鍵設備新型襯底和外延技術前瞻性技術LED芯片工藝需突破的核心技術二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況國內(nèi)首臺氮化物MOCVD工程化樣機（7×2’’）國內(nèi)唯一首次利用自主研發(fā)的MOCVD生長LED達到8mW。1、半導體照明重大裝備——MOCVD設備二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況設備外延材料質(zhì)量性能國內(nèi)首臺MOCVD設備制造的藍光小芯片LED在20mA下發(fā)光功率達到8.3mW，發(fā)光波長460nm。48片機已經(jīng)設計加工完成，正在組裝調(diào)試。AFM圖像表明以準2D臺階流模式生長，粗糙度為0.22nm

雙軸XRD衍射1、半導體照明重大裝備——MOCVD設備二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況目前上還尚無成熟的商業(yè)化國際設備自主研制的第一代HVPE設備HVPE設備可能成為未來半導體照明的核心基礎設備第三代多片HVPE設備第二代HVPE設備1、半導體照明重大裝備——HVPE設備二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況設備生長的材料性能HVPEGaN外延片XRD衍射半峰寬141弧秒，為當時國內(nèi)報道的最好水平C面GaN厚膜：生長速度超過100微米/h，表面粗糙度5-6nm，雙晶結(jié)果(002)約105arcsec，(102)為140arcsec，顯示了高晶體質(zhì)量。半極性GaN厚膜：

表面粗糙度6nm左右，表面層錯大幅度降低，雙晶最好結(jié)果約低于300arcsec，是目前報道的最好結(jié)果之一。1、半導體照明重大裝備——HVPE設備二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況GaN襯底性能及價格發(fā)展趨勢：未來十年GaN襯底是實現(xiàn)200lm/W半導體照明技術最有潛力的技術，將推動半導體照明進入通用照明市場。1、半導體照明重大裝備——HVPE設備二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況“取向型”圖形襯底新型納米圖形襯底2、關鍵新型襯底材料及外延技術——藍寶石圖形襯底設計并加工出新型納米結(jié)構圖形襯底設計并加工出“取向型”圖形襯底設計的圖形襯底，具有加工簡單、成本低、重復性好的特點，極易向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)推廣。取得的進展：二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況圖形襯底外延GaN取得的重要進展：相同條件外延GaN，圖形襯底結(jié)果明顯優(yōu)與普通襯底。

(002)/(102)XRD227/337arcsec

vs.238/388arcsec普通平面襯底圖形襯底2、關鍵新型襯底材料及外延技術——圖形襯底外延二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況重點研究內(nèi)容及研究思路：以垂直結(jié)構LED為主線：晶片鍵合和無損藍寶石襯底激光及化學剝離技術，開展導電襯底的材料外延和芯片工藝制備。

探索光子晶體結(jié)構等光學微結(jié)構理論和工藝技術：探索光學微結(jié)構對LED光電特性的影響，開發(fā)相關微結(jié)構的工藝制備技術。3、關鍵器件——大功率白光LED開發(fā)二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況3、關鍵器件——大功率白光LED開發(fā)LED

I-L特性160lm/W@20mA128.8lm/W@350mA二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況垂直結(jié)構LED優(yōu)勢：提高器件性能

1、高導熱襯底，提高器件的熱學特性；

2、N－GaN良好的導電性提高電流注入的均勻性。

3、釋放外延層應力，提高內(nèi)量子效率。

4、基于藍寶石襯底相對成熟的高質(zhì)量GaN材料外延技術（相對Si）。

3、關鍵器件——垂直結(jié)構LEDs二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況藍寶石襯底單芯片和2英寸整片剝離成品率大于95%。wafer-bondingLLOConductiveSubstrateLEDchip-bondingLLO

取得的突破：3、關鍵器件——垂直結(jié)構LEDs二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況3、關鍵器件——垂直結(jié)構LEDs飽和電流超過4A，與傳統(tǒng)正裝結(jié)構LED相比，大注入電流下優(yōu)勢明顯，指標達到200lm@（1A、3.3V）。垂直結(jié)構LED原型器件二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況SiGaN襯底TongboWei,QingfengKong,etal.,Opticsexpress,19(2011)1065TongboWei,JunxiWang,etal.,Jpn.J.Appl.Phys.49(2010)100201LED-N面粗化LED-N面粗化，輸出功率超過藍寶石圖形襯底上LED水平。CsCl自組裝粗化示意圖自支撐襯底倒裝LED3、關鍵器件——表面粗化技術二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況重點研究內(nèi)容：

基于藍寶石襯底的高Al組分AlGaN材料的外延生長和摻雜技術；AlGaInN四元合金材料的外延和摻雜技術；紫外LED結(jié)構材料外延技術；紫外LED用材料的分析表征技術；紫外LED器件研制技術；AlN單晶材料制備技術4、前瞻技術——深紫外LED開發(fā)二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況4、前瞻技術——深紫外LED開發(fā)創(chuàng)新性的p-AlGaN摻雜技術：3D極化誘導空穴氣技術。研究成果發(fā)表于物理雜志APL上，并已申請國家發(fā)明專利二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況4、前瞻技術——深紫外LED開發(fā)發(fā)光波長292nm，輸出功率2.055mW@20mA二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況4、前瞻技術——深紫外LED開發(fā)殺菌率>90%二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況

以企業(yè)為主體的100流明/瓦制造技術提前完成任務指標芯片國產(chǎn)化比例達到52%

大功率封裝技術基本與國際保持同步產(chǎn)業(yè)化關鍵技術取得階段性突破國內(nèi)外功率型白光LED技術指標對比（2010年8月）分類發(fā)光效率(lm/W)@350mA顯色指數(shù)“十一五”國內(nèi)產(chǎn)業(yè)水平90～100>80“十五”末國內(nèi)產(chǎn)業(yè)水平30～40>70韓國、我國臺灣地區(qū)90～110>80美、日、歐100-130>80（數(shù)據(jù)整理：半導體照明產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟)我國LED芯片國產(chǎn)化趨勢二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況景觀、顯示技術日趨成熟，節(jié)能效果顯著背光電視進入市場，前大燈開發(fā)出樣品功能性照明開始示范應用據(jù)測算，僅水立方5萬平米的LED景觀照明，與熒光燈相比，全年可節(jié)電74.5萬度，節(jié)能70%以上。世博園區(qū)內(nèi)應用LED燈具達到20萬盞以上，使用10.5億顆LED芯片。規(guī)模化系統(tǒng)集成技術研究和重大應用進展順利國家大劇院：主屏總面積約112.2㎡，輔屏有效發(fā)光面積約160㎡節(jié)能和示范帶動作用顯著研發(fā)主要進展大功率LED器件光效130lm/W@350mA，顯色指數(shù)大于80建成了一條能夠完成多種工藝技術的綜合柔性平臺。初步建立了理事會領導下的主任負責制模式與上海藍寶、九州光電、臺灣聚昌科技股份有限公司成立了聯(lián)合實驗室，同時依托國家半導體照明研發(fā)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟籌建研發(fā)基金工程化和產(chǎn)學研進展與產(chǎn)業(yè)界開展了合作，提高了企業(yè)的產(chǎn)品水平和市場競爭力項目帶動條件建設，公共研發(fā)平臺建設初具規(guī)模

重大示范項目組織協(xié)調(diào)標準化協(xié)調(diào)推進，制定12項技術規(guī)范聯(lián)合應訴美國337調(diào)查，建立專利池開展廣泛的國際與區(qū)域合作承擔社會責任-抗震救災2004年10月聯(lián)盟成立聯(lián)盟推動技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中游：封裝下游：應用上游：外延、芯片2010年產(chǎn)值250億元，增長率達到23%，企業(yè)數(shù)1000多家2010年產(chǎn)值900億元，增長率達到50%，企業(yè)數(shù)3000多家。2010年產(chǎn)值50億元，增長率達到117%，企業(yè)數(shù)60多家產(chǎn)業(yè)鏈比較完整，主要集中在中下游環(huán)節(jié)我國LED產(chǎn)業(yè)鏈分布圖國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀2010年企業(yè)4000余家，產(chǎn)值1200億元。(數(shù)據(jù)來源：國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟)1502002005特殊照明2010白光功能性照明2020進入千家萬戶501002000啟動正在解決的技術問題：大功率外延材料生長、芯片制備，大功率LED封裝與功能性照明應用技術主要應用：景觀與白光功能性照明下一步需要解決的技術問題：白光普通照明低成本、高可靠性技術、裝備及應用系統(tǒng)集成；白光核心專利主要應用：室內(nèi)外白光普通照明2015性價比高的白光照明光效流明/瓦已解決的技術問題：中低端外延材料生長、芯片制備，封裝與中低端應用技術主要應用：指示、顯示、信號“十五”白光技術從無到有“十一五”采用國產(chǎn)器件，進口80%功率型芯片“十二五”芯片、器件國產(chǎn)化“十三五”全部國產(chǎn)化（裝備、材料）發(fā)展趨勢目標：目錄一、半導體照明的意義和發(fā)展歷程二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況三、目前存在的問題四、半導體照明“十二五”的發(fā)展目標與任務結(jié)束語需要以足夠的投資力度進行有效組織，在短時間內(nèi)有所突破在激烈的國際競爭中，研發(fā)投入不夠、力量分散、資源不能共享、低水平重復問題；核心技術與國外有較大差距，還有許多基礎科學問題需要解決，急需自主創(chuàng)新能力；重大裝備和部分基礎源材料依賴國外進口；基礎性研究人才缺乏，結(jié)構不合理；研發(fā)和企業(yè)脫節(jié)，聯(lián)合攻關不夠，導致企業(yè)贏利能力差，附加值低。三、目前存在的問題產(chǎn)業(yè)化的核心技術與專利缺乏發(fā)光效率有待提高：從80到200lm/W器件可靠性優(yōu)待進一步提高：壽命從2萬小時到10萬小時成本較高：從目前平均價格5元/瓦，降低到0.5元/瓦，需要降低10倍技術挑戰(zhàn)缺乏有效的專利戰(zhàn)略三、目前存在的問題產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不均衡，上游較弱企業(yè)規(guī)模小，創(chuàng)新能力弱缺乏品牌，高端市場被國際公司占據(jù)標準與檢測體系不完善三、目前存在的問題國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展兩大瓶頸1、核心裝備、材料、器件與國際差距較大2、系統(tǒng)集成、創(chuàng)新應用和相關檢測平臺缺乏系統(tǒng)全面部署標準化、規(guī)格化產(chǎn)品，維護難度大應用技術開發(fā)低水平重復，缺乏系統(tǒng)集成技術智能化控制系統(tǒng)、接口協(xié)議等缺少統(tǒng)一部署檢測、認證平臺缺位，低水平重復建設

產(chǎn)業(yè)面臨的問題產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不均衡：市場環(huán)境不健全：發(fā)展快、門檻低、擴張猛

核心裝備、材料進口依賴嚴重下游上游產(chǎn)業(yè)資源不集聚：研發(fā)投入不足且分散（26家機構）企業(yè)規(guī)模小而散（3000家，80%民營）產(chǎn)業(yè)基地集而不聚（13個基地，21個城市）產(chǎn)業(yè)政策合力不足，缺乏產(chǎn)業(yè)研究結(jié)構性人才缺乏缺乏檢測、標準、認證服務體系，國家層面缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，地方層面大干快上

產(chǎn)業(yè)面臨的問題

近期產(chǎn)業(yè)投資情況MOCVD設備安裝數(shù)量與新增計劃（來自CSA統(tǒng)計）序號區(qū)域企業(yè)2010年底擁有量3年內(nèi)計劃擁有量1廣東佛山國星0202佛山旭瑞4303晶科電子0104鶴山銀雨15505福建廈門三安24246廈門乾照12127江西江西晶能9309上海上海藍寶5510上海藍光202111遼寧大連路美1414********************27安徽合肥藍光010028蕪湖三安3820029銅陵藍寶05030蕪湖德豪1912031山東山東華光169032天津天津三安156033陜西西安中為34034山西長治華上03035湖南湖南華磊1050

合計09年135臺

30014892010年國內(nèi)新增的MOCVD設備數(shù)量為165臺，占2010年MOCVD設備全球供應量的25%。國內(nèi)三年內(nèi)計劃新增的設備為1489臺，超過了2008年全球MOCVD設備的總和，且全為大型生產(chǎn)型設備。按此計劃，三年后的外延片產(chǎn)能將是2009年10～15倍。投資過熱帶來的產(chǎn)能過剩必將帶來產(chǎn)業(yè)的并購和重組。注：沒有宣布3年內(nèi)新增數(shù)量計劃的公司按現(xiàn)有數(shù)量計算3年內(nèi)擁有量目錄一、半導體照明的意義和發(fā)展歷程二、半導體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)概況三、目前存在的問題四、半導體照明“十二五”的發(fā)展目標與任務結(jié)束語重大項目的各項任務，其最終目標都是圍繞面向200lm/W的半導體通用照明目標而努力。圍繞半導體照明技術，開展了從關鍵設備、新型襯底材料、外延技術、大功率器件及封裝技術等全方位的研究工作。重大項目的目標和研究內(nèi)容一、半導體照明重大項目進展情況以推動節(jié)能減排、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)為目標以提高創(chuàng)新能力、擴大市場需求為關鍵以創(chuàng)新體制機制、商業(yè)模式和完善環(huán)境為手段以整合全球資源為策略實現(xiàn)技術創(chuàng)新向產(chǎn)品集聚，政策向擴大需求定位，構建戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化體系

支撐“十城萬盞”示范工程發(fā)展思路四、半導體照明“十二五”的發(fā)展目標與任務突破產(chǎn)業(yè)化關鍵技術——突破高光效、高可靠、低成本的核心器件產(chǎn)業(yè)化技術，實現(xiàn)核心裝備和關鍵材料國產(chǎn)化，提高上游企業(yè)制造水平與盈利能力，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展；研究下一代白光核心技術——加強半導體材料生長技術、大電流驅(qū)動材料生長與芯片技術、單芯片白光、UV-LED、OLED等新的白光照明技術路線研究，提高持續(xù)創(chuàng)新能力；支撐“十城萬盞”試點示范——開發(fā)低成本、替代型和多功能、模塊化半導體照明產(chǎn)品及系統(tǒng)；通過醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、信息智能網(wǎng)絡等領域的集成技術研究，搶占創(chuàng)新應用制高點；完善技術支撐與服務體系——以創(chuàng)新的機制體制建立公共技術研發(fā)與服務平臺；研究測試方法及開發(fā)相關測試設備，引導建立檢測與質(zhì)量認證體系，參與國際標準制定。重點任務業(yè)內(nèi)合作基礎科學研究核心技術研究產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)業(yè)化支持標準的發(fā)展和建立市場培育示范應用973計劃

高效氮化物材料

的基礎研究長期、穩(wěn)定、持續(xù)地開展探索性基礎研究863計劃關鍵材料、器件