方志烈:半导体照明技术进展迅速 市场应用前景可观
复旦大学教授 方志烈
半导体照明技术的发展速度超出了业界的预期。全球LED市场正稳步发展。我国是传统照明光源和灯具生产大国、出口大国，在半导体照明领域也具有相当大的优势。
1963年 2月， LED的发明者N.Holonyak在美国杂志《读者文摘》上发表观点，表示坚信LED会发展成实用的白色光源，并作了明确的预言：“将来的灯可以是铅笔尖大小的一块合金，它实用且不易破碎，决不会被烧毁。与今天通用的灯泡相比，其转换效率至少高10倍。”
LED工艺技术快速进步
时至今日，LED外延技术、芯片制造技术和封装技术都有了长足的进步，Holonyak的预言正在一步步成为现实。
LED外延材料的质量，很大程度上与衬底和外延材料的晶格匹配程度有关，经过多年努力，InGaN/蓝宝石的外延层位错每平方厘米个数从1010个下降到108个，业界希望能下降到105个或更好，目前还有较大的提升空间。
InGaN外延衬底主要包括蓝宝石、碳化硅、氧化锌、氮化镓和氮化铝等多种类型。其研发及产业化进展如下：
1.蓝宝石外延片：2007年用量大约为500万片（2英寸），估计到2010年用量为1000万片，其中2/3是2英寸片，1/3是3英寸片。2007年底，日本昭和电工开始采用4英寸片进行生产。
2.碳化硅外延片：美国Cree公司于2007年5月展示了4英寸零位错单晶片。国内山东大学晶体研究所3英寸片也已研制成功，2英寸片已“开盒即用”。中科院物理研究所2英寸直径晶体已研制成功，位错密度小于每平方厘米100个。
3.氧化锌外延片：一般用水热法制备，国内有上海光机所等多家单位研制成功，但用于InGaN外延的还不常见。
4.氮化镓外延片：波兰华沙高压研究中心TOP GaN公司在极端生长条件（15000大气压、1600℃）获得φ10mm单晶，切片得20片-30片，位错密度每平方厘米100个，已用以制成15μm×500μm1.89W的氮化镓激光器。中科院物理所用熔盐法在小于1000℃和常压下长成可实用的GaN单晶。2003年4月，日本住友电工用HVPE（氢化物气相外延）法生产GaN单晶衬底。南京大学在国内首先用HVPE法生产2英寸低位错GaN衬底。2007年4月，日本日立电线用间隙形成剥离法制成了3英寸GaN晶片。
5.氮化铝外延片：美国华盛顿Crys-talIS公司于2006年5月制成2英寸氮化铝衬底。
此外，日本昭和电工发展了一种新工艺，它将通常的MOCVD（金属有机物化学气相淀积）和PPD（等离子体物理淀积)相综合，晶体完整性得以提高，消除了MOCVD工艺产生的微粒，X射线回摆曲线的FWHM（半高全宽）从150弧秒降至50弧秒，提高了生产的稳定性(炉与炉和片与片之间)，大大提高了生产效率。
在LED芯片制造领域，工艺技术也不断取得突破。衬底激光剥离技术由Osram公司首创，出光效率因此提高到75%，是传统芯片的3倍，目前国内多家单位已掌握此技术，并投入生产。表面粗化或纹理化技术的改进，可提高发光效率30%-50%。Lumileds公司开发出倒装芯片技术，可提高散热效率，增加出光1.6倍。氧化铟锡(ITO)材料的使用，实现了均匀电流注入，并使出光效率提高60%。松下电器发明二维光子晶体，使出光提升了1.7倍-2.7倍。旭明公司应用金属垂直光子晶体结构(MVP)，使发光效率达到90lm/W-100lm/W。
对LED封装而言，要求热阻低、散热好，并降低结温，提高发光效率；同时，封装结构要有高的取光效率。器件热阻是各结构层热阻之和，应符合层数少、层厚度小、层面积大及材料导热系数高的设计原则。
半导体照明应用领域稳步拓宽
LED在显示屏、道路交通信号灯、手机、景观照明、便携式照明等领域的应用已趋成熟。下面，就近期3个主要应用方面的发展作简要介绍：
1.汽车灯
汽车上信号灯和车内照明应用技术已趋成熟，并很快得到推广应用，下一个主要增长点将是汽车前照灯。2007年，奥迪A86.0首先使用LED作为汽车前照灯。奥迪R8用LED作为高低束光前照灯。丰田LuxusLS600h用LED作为低束前照灯。2008年夏，通用Cadillac也将采用LED作为高低束前照灯。全球每年6000万辆汽车总产量表明该市场还有很大成长空间。
2.LED液晶显示背光源
2005年，3.5英寸液晶显示屏已全面使用LED背光；到2006年，使用LED背光的7英寸屏已达30%；2007年，11英寸屏也开始用LED背光。今后，12英寸-15.4英寸的笔记本电脑LED背光将有较大增长。目前，苹果公司已宣布该公司生产的笔记本电脑全用LED背光源。
因为具有超薄和节电的优点，LED背光也将在监视器和电视机中得到应用。2006年8月，三星在欧洲推出3000美元的40英寸LED背光液晶电视数百台。Osram和三星均已制成82英寸的LED背光研发样机，Osram后来还研制成了102英寸的样机。
在国内，海信、京东方和上广电已有36英寸-46英寸LED背光的LCD电视样机。
因此，每年6500万台监视器和800万台平板电视机的总产量是LED背光源的潜在市场。
3.半导体路灯
目前LED路灯应用市场已经启动，原因如下：第一，在中间视觉条件下，目前路灯大量采用的钠灯光源，其效率比明视觉条件下测量的效率要低30%，而LED是全光谱，蓝、绿光部分效率会有较大增加，所以总效率会提高40%，目前取代钠灯能节电30%-50%，符合国家节电、减排政策；第二，寿命长，可免维修费用，由于驱动电流小，电缆、变压器和工程费用也相应减少；第三，白光下视感和分辨率都较单色光（黄光）下有所提高；第四，由于耗电少和驱动电压低，易与光伏电池组成太阳能路灯；第五，路灯由政府部门建设和管理，较易推广。
目前许多城市乃至小镇，都有半导体路灯示范工程，少则几十盏，多则上千盏。国内已有多张2万盏半导体路灯的订单，估计今年国内就将达10亿元产值。可以说，这是通用照明中出现的一匹黑马。随着效率的进一步提高和技术的不断完善，将有很快的发展。
新强光电曾推出135W的半导体路灯，总光通量5000lm。阳杰科技推出150W路灯，大于8000lm，20个月点灯几无衰减，且证明已可通过国际照明规范。
我国约有2亿盏路灯，这一广阔市场理应特别重视，加上已有部分企业产品出口，市场前景更为看好，2010年大规模应用市场将启动。目前产品属初始阶段，良莠不齐，主要问题是散热不好，不仅发光效率下降，而且光衰问题较严重，甚至失效。有关部门要抓紧标准制定，出厂前要进行光衰试验，减小热阻，充分散热，真正做到高效、长寿命，以利市场的培育和健康发展。
半导体照明技术的发展速度超出了业界的预期。全球LED市场正稳步发展。我国是传统照明光源和灯具生产大国、出口大国，在半导体照明领域也具有相当大的优势。
1963年 2月， LED的发明者N.Holonyak在美国杂志《读者文摘》上发表观点，表示坚信LED会发展成实用的白色光源，并作了明确的预言：“将来的灯可以是铅笔尖大小的一块合金，它实用且不易破碎，决不会被烧毁。与今天通用的灯泡相比，其转换效率至少高10倍。”
LED工艺技术快速进步
时至今日，LED外延技术、芯片制造技术和封装技术都有了长足的进步，Holonyak的预言正在一步步成为现实。
LED外延材料的质量，很大程度上与衬底和外延材料的晶格匹配程度有关，经过多年努力，InGaN/蓝宝石的外延层位错每平方厘米个数从1010个下降到108个，业界希望能下降到105个或更好，目前还有较大的提升空间。
InGaN外延衬底主要包括蓝宝石、碳化硅、氧化锌、氮化镓和氮化铝等多种类型。其研发及产业化进展如下：
1.蓝宝石外延片：2007年用量大约为500万片（2英寸），估计到2010年用量为1000万片，其中2/3是2英寸片，1/3是3英寸片。2007年底，日本昭和电工开始采用4英寸片进行生产。
2.碳化硅外延片：美国Cree公司于2007年5月展示了4英寸零位错单晶片。国内山东大学晶体研究所3英寸片也已研制成功，2英寸片已“开盒即用”。中科院物理研究所2英寸直径晶体已研制成功，位错密度小于每平方厘米100个。
3.氧化锌外延片：一般用水热法制备，国内有上海光机所等多家单位研制成功，但用于InGaN外延的还不常见。
4.氮化镓外延片：波兰华沙高压研究中心TOP GaN公司在极端生长条件（15000大气压、1600℃）获得φ10mm单晶，切片得20片-30片，位错密度每平方厘米100个，已用以制成15μm×500μm1.89W的氮化镓激光器。中科院物理所用熔盐法在小于1000℃和常压下长成可实用的GaN单晶。2003年4月，日本住友电工用HVPE（氢化物气相外延）法生产GaN单晶衬底。南京大学在国内首先用HVPE法生产2英寸低位错GaN衬底。2007年4月，日本日立电线用间隙形成剥离法制成了3英寸GaN晶片。
5.氮化铝外延片：美国华盛顿Crys-talIS公司于2006年5月制成2英寸氮化铝衬底。
此外，日本昭和电工发展了一种新工艺，它将通常的MOCVD（金属有机物化学气相淀积）和PPD（等离子体物理淀积)相综合，晶体完整性得以提高，消除了MOCVD工艺产生的微粒，X射线回摆曲线的FWHM（半高全宽）从150弧秒降至50弧秒，提高了生产的稳定性(炉与炉和片与片之间)，大大提高了生产效率。
在LED芯片制造领域，工艺技术也不断取得突破。衬底激光剥离技术由Osram公司首创，出光效率因此提高到75%，是传统芯片的3倍，目前国内多家单位已掌握此技术，并投入生产。表面粗化或纹理化技术的改进，可提高发光效率30%-50%。Lumileds公司开发出倒装芯片技术，可提高散热效率，增加出光1.6倍。氧化铟锡(ITO)材料的使用，实现了均匀电流注入，并使出光效率提高60%。松下电器发明二维光子晶体，使出光提升了1.7倍-2.7倍。旭明公司应用金属垂直光子晶体结构(MVP)，使发光效率达到90lm/W-100lm/W。
对LED封装而言，要求热阻低、散热好，并降低结温，提高发光效率；同时，封装结构要有高的取光效率。器件热阻是各结构层热阻之和，应符合层数少、层厚度小、层面积大及材料导热系数高的设计原则。
半导体照明应用领域稳步拓宽
LED在显示屏、道路交通信号灯、手机、景观照明、便携式照明等领域的应用已趋成熟。下面，就近期3个主要应用方面的发展作简要介绍：
1.汽车灯
汽车上信号灯和车内照明应用技术已趋成熟，并很快得到推广应用，下一个主要增长点将是汽车前照灯。2007年，奥迪A86.0首先使用LED作为汽车前照灯。奥迪R8用LED作为高低束光前照灯。丰田LuxusLS600h用LED作为低束前照灯。2008年夏，通用Cadillac也将采用LED作为高低束前照灯。全球每年6000万辆汽车总产量表明该市场还有很大成长空间。
2.LED液晶显示背光源
2005年，3.5英寸液晶显示屏已全面使用LED背光；到2006年，使用LED背光的7英寸屏已达30%；2007年，11英寸屏也开始用LED背光。今后，12英寸-15.4英寸的笔记本电脑LED背光将有较大增长。目前，苹果公司已宣布该公司生产的笔记本电脑全用LED背光源。
因为具有超薄和节电的优点，LED背光也将在监视器和电视机中得到应用。2006年8月，三星在欧洲推出3000美元的40英寸LED背光液晶电视数百台。Osram和三星均已制成82英寸的LED背光研发样机，Osram后来还研制成了102英寸的样机。
在国内，海信、京东方和上广电已有36英寸-46英寸LED背光的LCD电视样机。
因此，每年6500万台监视器和800万台平板电视机的总产量是LED背光源的潜在市场。
3.半导体路灯
目前LED路灯应用市场已经启动，原因如下：第一，在中间视觉条件下，目前路灯大量采用的钠灯光源，其效率比明视觉条件下测量的效率要低30%，而LED是全光谱，蓝、绿光部分效率会有较大增加，所以总效率会提高40%，目前取代钠灯能节电30%-50%，符合国家节电、减排政策；第二，寿命长，可免维修费用，由于驱动电流小，电缆、变压器和工程费用也相应减少；第三，白光下视感和分辨率都较单色光（黄光）下有所提高；第四，由于耗电少和驱动电压低，易与光伏电池组成太阳能路灯；第五，路灯由政府部门建设和管理，较易推广。
目前许多城市乃至小镇，都有半导体路灯示范工程，少则几十盏，多则上千盏。国内已有多张2万盏半导体路灯的订单，估计今年国内就将达10亿元产值。可以说，这是通用照明中出现的一匹黑马。随着效率的进一步提高和技术的不断完善，将有很快的发展。
新强光电曾推出135W的半导体路灯，总光通量5000lm。阳杰科技推出150W路灯，大于8000lm，20个月点灯几无衰减，且证明已可通过国际照明规范。
我国约有2亿盏路灯，这一广阔市场理应特别重视，加上已有部分企业产品出口，市场前景更为看好，2010年大规模应用市场将启动。目前产品属初始阶段，良莠不齐，主要问题是散热不好，不仅发光效率下降，而且光衰问题较严重，甚至失效。有关部门要抓紧标准制定，出厂前要进行光衰试验，减小热阻，充分散热，真正做到高效、长寿命，以利市场的培育和健康发展。