中國大陸LED研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略思考

　　近年來，我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，現(xiàn)階段從事該產(chǎn)業(yè)的人達(dá)數(shù)十萬，研究機(jī)構(gòu)近百個(gè)，企業(yè)數(shù)千家。從全球LED產(chǎn)業(yè)競爭格局看，當(dāng)前中國大陸LED封裝企業(yè)自動化水平提升較快，以道路照明為主的照明應(yīng)用產(chǎn)業(yè)取得了突破性發(fā)展，LED封裝和應(yīng)用方面在規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面在全球具有重要影響力；另一方面，中國大陸LED外延和芯片企業(yè)的產(chǎn)能和技術(shù)水平有了一定提升，上游產(chǎn)業(yè)保持了良好的發(fā)展勢頭，但總體上講，在全球的競爭力相對還比較弱。在此背景下，科技部適時(shí)啟動了“十城萬盞”計(jì)劃，極大地推動了國內(nèi)官、產(chǎn)、學(xué)各界對半導(dǎo)體照明事業(yè)發(fā)展的熱情。值此機(jī)會，我們將近年來在調(diào)研基礎(chǔ)上形成的有關(guān)我國大陸地區(qū)LED研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的想法提出來，供業(yè)內(nèi)同仁參考和指正。

一、未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展特征：技術(shù)和市場一起成長

　　實(shí)際照明燈具的輸出光通量通常在上千流明至數(shù)萬流明，而目前單顆高端功率型白光LED的光通量僅在100流明左右，因此半導(dǎo)體照明燈具通常由數(shù)十至上百個(gè)集群白光LED組成。以目前的LED性能而論，低壓、恒流驅(qū)動的集群LED的使用造成半導(dǎo)體照明燈具必須解決巨大熱量的耗散和由交流市電向低壓恒流轉(zhuǎn)換而引起的電源管理問題。另外，傳統(tǒng)封裝的功率型LED的小光通、高亮度的發(fā)光特性會造成非常嚴(yán)重的眩光。所以，半導(dǎo)體照明技術(shù)不僅限于芯片的制作和封裝技術(shù)，而是一個(gè)包含了光學(xué)設(shè)計(jì)、熱量和電源管理等在內(nèi)的系統(tǒng)級技術(shù)。

　　從LED外延片到最終的照明燈具需要經(jīng)過材料外延→芯片制作→管芯封裝→燈具設(shè)計(jì)和裝配等一系列產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。一方面，從外延片到最終照明和顯示應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)都能形成獨(dú)立的產(chǎn)品，并具有各自的技術(shù)壁壘和研發(fā)需求；另一方面，終端應(yīng)用產(chǎn)品的質(zhì)量會受到每個(gè)環(huán)節(jié)的影響。例如，半導(dǎo)體照明的核心部件是LED芯片，但LED芯片的發(fā)光效率達(dá)到100lm/W,并不等于半導(dǎo)體照明燈具的效率也達(dá)到了100lm/W;更為重要的是，半導(dǎo)體照明產(chǎn)品要獲得市場認(rèn)同，包括燈具效率、可靠性、人眼舒適性等在內(nèi)的綜合性能相對于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品必須獲得明顯的優(yōu)勢。換句話說，即使半導(dǎo)體照明燈具的效率達(dá)到了100lm/W,也不意味它就一定能為市場所接受，半導(dǎo)體照明本身還有許多科學(xué)問題需要研究，比如照明效果和品質(zhì)包括顯色性、色品一致性、人眼舒適性等。

　　只有當(dāng)技術(shù)的發(fā)展使得半導(dǎo)體照明燈具在效率、照明品質(zhì)、設(shè)計(jì)新穎性等方面相對傳統(tǒng)光源取得優(yōu)勢，半導(dǎo)體照明才可能進(jìn)入并不斷開拓市場。另一方面，市場的擴(kuò)大會促使產(chǎn)量擴(kuò)充及業(yè)界研發(fā)投入的增加，加速技術(shù)進(jìn)步，從而使性能提升并且成本與價(jià)格逐漸下降。上述兩個(gè)過程交替往復(fù)，最終導(dǎo)致半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

二、未來市場集中領(lǐng)域：半導(dǎo)體照明和LED顯示

　　半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)主要包括面向室外通用照明、室內(nèi)通用照明等的上、中、下游產(chǎn)業(yè)；LED顯示產(chǎn)業(yè)主要包括LED背光源以及LED顯示屏領(lǐng)域的上、中、下游產(chǎn)業(yè)。就技術(shù)層面來說，上、中、下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)分別是材料外延和芯片制備、封裝、模組和燈具制造技術(shù)。半導(dǎo)體照明和LED顯示產(chǎn)品的上、中游產(chǎn)業(yè)技術(shù)基本上是相同的，區(qū)別主要在于下游技術(shù)。

　　1.未來半導(dǎo)體照明市場最大的部分將是通用照明

　　通用照明包括室內(nèi)照明和室外照明兩大類。這兩類應(yīng)用都要求燈具具有高發(fā)光效率、長壽命、環(huán)保等特性，其主要差別在于室內(nèi)照明光源對照明效果和品質(zhì)（包括顯色性、色品一致性、光源的出射度和均勻性、人眼舒適性等）有較高的要求，且其面向的消費(fèi)群體對燈具價(jià)格更敏感。另一方面，藍(lán)光芯片的發(fā)光效率的優(yōu)勢有待進(jìn)一步提高且受限于白光LED的封裝技術(shù)，目前的半導(dǎo)體照明燈具大多為高色溫冷白光，加之色品一致性與傳統(tǒng)照明相比還不盡如人意，使得半導(dǎo)體照明燈具目前在室外照明中有較大規(guī)模應(yīng)用，而在室內(nèi)照明中才剛剛開始起步。因此，受限于成本和照明品質(zhì)，半導(dǎo)體照明將率先在室外照明大規(guī)模應(yīng)用，之后隨著技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸進(jìn)入室內(nèi)照明領(lǐng)域。

　　室外照明的一個(gè)典型應(yīng)用是路燈，路燈是城市照明的重要組成部分，其耗電量占整個(gè)照明用電的很大部分。傳統(tǒng)的路燈采用高壓鈉燈，高發(fā)光效率的高壓鈉燈顯色指數(shù)很低，使得被照射物體顏色失真非常明顯；高顯色性高壓鈉燈顯色性有所改善，但其發(fā)光效率、壽命都有所損失；受限于其壽命較短，因此需要經(jīng)常進(jìn)行價(jià)格不菲的高空維護(hù)作業(yè)。一般高壓鈉燈的配光性能較差，也就是說道路照明時(shí)的均勻性不夠好，而為了滿足道路照明對均勻性的要求一般高壓鈉燈路燈都采用比燈桿下照度需求大許多的額定功率，從而造成了能源的浪費(fèi)，因此，開發(fā)新型高效、節(jié)能、長壽命、顯色指數(shù)較好、環(huán)境友好的路燈對城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。室外照明領(lǐng)域的巨大市場需求，推動著功率型LED路燈等燈具的技術(shù)水平不斷進(jìn)步，成本不斷下降，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。

　　另一方面，室內(nèi)照明最常用的產(chǎn)品是白熾燈和熒光燈。白熾燈的發(fā)光效率極低，只有十幾個(gè)流明/瓦，而熒光燈含有汞等有害物質(zhì)，不利于環(huán)保。因此，室內(nèi)照明對高效環(huán)保照明產(chǎn)品的需求更加強(qiáng)烈。盡管目前的白光LED器件在發(fā)光效率和環(huán)保等特性上已經(jīng)超過了白熾燈和熒光燈，但是由其構(gòu)成的燈具的照明效果和品質(zhì)還沒有迅速形成對傳統(tǒng)照明光源的優(yōu)勢，其在室內(nèi)照明的應(yīng)用才剛剛開始。然而，室內(nèi)照明巨大的市場需求，必將推動著面向室內(nèi)照明應(yīng)用的封裝和系統(tǒng)級應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。

　　2.LED顯示產(chǎn)業(yè)具有巨大的市場潛力

　　LED顯示產(chǎn)業(yè)包括LED顯示屏和LED背光源。毋庸置疑，LED顯示屏在戶外顯示屏領(lǐng)域具有絕對優(yōu)勢。對于室內(nèi)顯示來說，目前有多種選擇，包括PDP、TFT-LCD、全彩色LED顯示屏等。但是，相比之下，PDP和LCD較難實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示，并且整體效率低、功耗大；而LED室內(nèi)顯示屏一方面能提供高品質(zhì)的顯示且易實(shí)現(xiàn)超大尺寸，另一方面有利于節(jié)能環(huán)保。一般認(rèn)為，LED顯示屏已經(jīng)是成熟的產(chǎn)業(yè)技術(shù)。然而，在室內(nèi)超大屏幕顯示領(lǐng)域，要充分發(fā)揮LED顯示屏高顯示品質(zhì)、大尺寸、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢，普通的大像素間距的LED顯示屏遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求。我們認(rèn)為，在若干關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，大到體育場館、展覽館、大型會場，小46到中小型禮堂、會議室乃至家居場所，都將是LED顯示屏施展其特長的舞臺。

　　另一方面，與CCFL（冷陰極熒光燈）相比，LED背光源具有節(jié)能、環(huán)保、更完美的運(yùn)動圖像、更寬的色域等優(yōu)勢，將在筆記本電腦、LCD-TV等應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手。

三、未來突破領(lǐng)域：LED封裝和應(yīng)用等中、下游產(chǎn)業(yè)

　　我們對GaN基LED產(chǎn)業(yè)中的國際、國內(nèi)相關(guān)專利進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)研和深入分析，重點(diǎn)選擇該領(lǐng)域內(nèi)的著名企業(yè)和核心專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過對歐洲專利局制作的專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫（esp@cenet）、德溫特世界專利索引（DerwentInnovationsIndex（DII））以及中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索數(shù)據(jù)庫中相關(guān)專利的檢索，對美國（US）、日本（JP）、歐洲（EP）以及中國大陸（CN）的3000余份專利進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。

　　可以看出，目前LED產(chǎn)業(yè)中的專利大部分集中在上游環(huán)節(jié)，中、下游部分的專利相對要少很多。這一結(jié)果也是和LED技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程相關(guān)的。從二十世紀(jì)九十年代初ShujiNakamura研制出GaN基LED以來，大量的研究工作致力于材料外延和芯片制作，從各個(gè)細(xì)節(jié)入手提高GaN基LED的性能。在這個(gè)過程中，上游產(chǎn)業(yè)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，涌現(xiàn)了大量的專利技術(shù)，其中很多還是核心技術(shù)，而中、下游產(chǎn)品開發(fā)則相對滯后。這樣就形成了目前專利技術(shù)“上重下輕”的狀況。

　　然而時(shí)至今日，GaN基LED的性能盡管離理論極限還存在一定距離，但已經(jīng)基本滿足了照明的需求。隨著上游技術(shù)的逐漸成熟，下游市場的逐漸壯大，LED封裝和應(yīng)用方面的問題也逐漸凸顯出來。從產(chǎn)品上看，無論是半導(dǎo)體照明燈具還是LED顯示模組，都不是簡簡單單地將LED器件組合在一起形成的。封裝和應(yīng)用環(huán)節(jié)包含了驅(qū)動電路、散熱和光學(xué)設(shè)計(jì)等一系列重大的科學(xué)技術(shù)問題，而這些問題的解決本身就意味著專利技術(shù)的產(chǎn)生。

　　另一方面，中、下游產(chǎn)業(yè)的專利范圍比上游產(chǎn)業(yè)更加廣泛。上游產(chǎn)業(yè)的專利技術(shù)基本屬于半導(dǎo)體材料、芯片制備工藝等相關(guān)領(lǐng)域，而中、下游產(chǎn)業(yè)更加直接地面向市場，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的使用對象、使用環(huán)境以及使用要求都有著密切的聯(lián)系，這也更加易催生新的專利。

　　從上面的分析可以看出，中、下游技術(shù)現(xiàn)有的專利數(shù)量相對較少而可挖掘的專利數(shù)量非常多，國外大公司在這個(gè)領(lǐng)域的專利壁壘尚未構(gòu)建得像上游領(lǐng)域那樣森嚴(yán)。因此，在未來的幾年內(nèi)，各大企業(yè)可能將在LED的封裝和應(yīng)用技術(shù)上展開專利的爭奪，其中應(yīng)用方面的專利更是重點(diǎn)。從圖1可以看出，在我國大陸申請的專利中，下游產(chǎn)業(yè)的比重比上游產(chǎn)業(yè)更大，這也從一個(gè)側(cè)面反映出我國大陸的部分企業(yè)在下游技術(shù)上已經(jīng)具備了一定的實(shí)力，中國大陸在中、下游技術(shù)方面具備比上游技術(shù)更大的優(yōu)勢。因此，LED封裝和應(yīng)用等中、下游產(chǎn)業(yè)是中國大陸最容易取得巨大成果的突破口。

四、未來上游領(lǐng)域發(fā)展趨勢：有選擇地重點(diǎn)突破，發(fā)展自主外延和芯片技術(shù)

　　當(dāng)前，國內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)在材料外延和芯片制作方面從眾多細(xì)節(jié)入手進(jìn)行了大量的研究工作。而另一方面，雖然近期中國大陸LED外延和芯片企業(yè)的產(chǎn)能和技術(shù)水平有了一定提升，但總體上看上游許多企業(yè)還未真正形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)路線，一些企業(yè)對未來技術(shù)的發(fā)展方向還比較困惑。

　　我們認(rèn)為，當(dāng)前我國大陸LED產(chǎn)業(yè)在上游領(lǐng)域面臨的主要問題還是大部分芯片發(fā)光效率不夠高，器件的可靠性有待改善。建議集中資源有選擇的、在一些已經(jīng)看得比較清晰的方向上重點(diǎn)突破，以提升我國上游產(chǎn)業(yè)的水平。當(dāng)前國內(nèi)在上游領(lǐng)域還是應(yīng)該以提高內(nèi)、外量子效率為核心，在深入理解GaN基材料物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，研發(fā)材料外延和芯片制備技術(shù)，提高晶體質(zhì)量、降低位錯(cuò)密度、優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)、控制應(yīng)力和提高光提取效率，盡快在核心技術(shù)上形成自主知識產(chǎn)權(quán)。

　　此外，中國大陸LED材料外延和芯片產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的本土化高層次人才缺乏是制約上游產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。中國大陸LED外延和芯片企業(yè)的高層次人才許多是海歸人員或從臺灣聘請，其加入無疑在一定程度上推動了國內(nèi)上游產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，但為了產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)健康發(fā)展，盡快打造本土化的高層次人才隊(duì)伍是十分必要的。

　　建議建立多層次的人才支撐體系，建立以企業(yè)為中心、以高校和研究機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新性人才培養(yǎng)機(jī)制，通過共建博士后流動站、工程碩士聯(lián)合培養(yǎng)點(diǎn)等方式，聯(lián)合培養(yǎng)光學(xué)、物理、電子、微電子、材料等專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才。

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