曾一平 我国LED发展前景

曾一平：大家上午好。我是头一次参加这种类型的会，也是第一次在这样类型的会上做报告。过去大概国际国内的会议参加了很多，各种报告也做过很多，基本上是从纯学术方面的，受到我的学生再三邀请，希望我能够在这样一个场合做LED产业和前景发展的报告，我们比较诚惶诚恐。我们做科研的人通常既不懂产业也不懂市场，如何从专业的角度看市场，我还是试图给大家做一点简单的分析，讲什么呢，后面我会给大家一些提示。今天上午我听了一些报告，觉得还是很有感触的。到现在为止我没有买股票，参加了今天的这个会我可能会买点股票回去试一试。题目和咱们定的不太一样，我觉得还是根据我们现在的感受。半导体研究所是有一个中科院的照明研发中心。我更正一下我不是主任，主任是我们研究所的所长，照明中心直接是科学院的。照明中心成立于2006年，是我们国家投资最大的，相当于投资一个亿建成的，相当于一个产业平台，得到了国家的支持。我们大概每个月都会有全国各地的想发展半导体照明产业的地方政府和企业家到我们研究所，希望获得一些咨询和指导。但是我们能力有限，一般给不出指导。今天我根据我们的一些经验，LED半导体照明到底是怎么回事，我还是讲一些技术，大家对它有一些初步的了解之后，能获得一些初步的判断。内容包括这样几个方面，简单的讲一下，我花一点时间给大家简单介绍一下LED。一个是LED用在哪些方面，虽然大家好象比较清楚，但是还是给大家稍过一下，稍谈一下LED和半导体证明，现在从政府从全世界来看，关注半导体证明并不是LED本身，还有国内目前的一些基本状况给大家介绍一下。简单说了LED的就是一个发光的二极管，简单来说就是一个正电子和负电子组成的这样一个材料，这种材料再加上电压以后，两个电子碰撞以后就研磨掉，产生一个光子，就发出光来了，就跟闪电的道理是一样的。第一个二极管产生于1962年，下边是一个简单的图。二极管有这样一些基本的特性，正是由于这些特性，决定了它现在处于这样一个地位。颜色至少有90%是由材料决定的，也就是说我们人是不能改变这个二极管的颜色的，用什么材料做成什么样的二极管出现什么样的颜色。也就是说在这个结构当中微微可以调整一下发光二极管的颜色。第二个所谓的二极管都是供电的，后面我会讲到交流的发展趋势，基本上是三到五伏的。第二个它的响应时间是纳秒，再一个是它的寿命，大家知道材料本体的寿命至少可以达到10万小时。半导体是一个点光源，微米—毫米。未来的发展可能会有一些变化，但是总的来说它是一个微小的体积。发光二极管目前总的来看，在可见光的阶段大概只有两类，一类是深化加体系的，所有发红光和黄光的二极管，我们都认为是在一个砷化镓的体系当中的，它涵盖的颜色范围是从红光到黄光。另外一个和半导体照明联系最紧密的，也是大家最关注的就是蓝光和紫光一直到绿光这样一个波段，这两个材料体系构成所有的发光二极管。这个我就不详细介绍了，相对来说看起来还是稍微有点复杂的结构。比如说蓝光的发光二极管，首先是由一个蓝宝石的基底，这里有发光层，有很多的多种化合物组成的，像一个三明治结构。它的结构虽然不是特别复杂，但是控制难度非常大，每一次的厚度平均在两个纳米左右，也就是所有的发光的颜色，发光的性能，颜色、光效、漏电包括最后影响它的一致性和价格，80%都在这当中决定了，这个做好了后面再做芯片，所有的性能都在这里决定了，这也是后来我要讲到的在LED里面这是最核心的一个企业。整个发光二极管所有的特性80%都已经决定了。从仪表的显示到静态景观照明到动态景观照明，应用领域非常广，这是背光源的很大应用，从手机、MP3等这是简单的背光源，到一些大的电脑背光源，稍微强调一下电视背光源这是08年开始，也就是09年正式起步的一个拉动LED市场最大的原动力在这一块。这个正在起步的，像汽车电子里面除了尾灯之外，还有在汽车内部一直到汽车的前大灯，这就是LED进入，现在大家都看到了，开始进入所谓的半导体照明的各种灯具，这是一个典型的案例，整个的餐馆，所有的灯都是用LED来做的。未来人们期望的是达到这样一个过程的时候，也就是半导体照明发展到中级阶段的显示。LED在半导体领域当中是很古老的器件，人们一直到上世纪90年代末期以前一直没有受重视，大家并没有觉得它有什么特别的重要性，正是由于光效提高以后，人们才发现它有重要的意义。如果要实现照明，实现白光的一些基本的方法，大家知道三基色，有红、蓝、绿三种颜色，同时可以用蓝光和黄光也可以配出白光，现在我们看到的发光二极管做成白光照明用的全部是这样一种方式，必须用蓝色的发光二极管，然后用它激发黄色的荧光粉，但是它的造价成本很高。没有蓝光之前，LED是不会进入照明的，蓝光是什么时候突破的？大概是在1994年，它在1992年到1994年整个实现了蓝光LED技术性的突破，从这时候起，全世界拉开LED照明的序幕，日本大概是在1998年在政府的高度提出叫“21世纪照明”，美国提出“下一代照明计划”，欧盟是2000年提出“彩虹计划”，中国在2003年七部委联合提出了“中国半导体照明光程”。是给大家展示一下，人类从非主动照明到主动照明，到火的时代，整个的过程照明的第一个时代是火的时代，第二个时代是电力的时代，第三部分就是这个半导体照明时代。大家为什么会把它上升为这样一个高度呢？白炽灯是最古老最传统的，但是它的发光效率大家都知道，大体上只能转化成10%几左右，也就是说把电变成光的效率只有80%的全部变成无用的，大家不可见的光，理论上现在大家都知道，所有做LED，一瓦的电发出多少的光，在传统照明领域，发光效率最高的是高压钠灯，一瓦电可以发出120lm的光。半导体照明有两种方法，如果用三种颜色的LED把它组成一个白光，每瓦的光可以达到每瓦355，是白炽灯的20倍左右。这就是整个在半导体领域当中的一个常用的数据，就是因为这个数据，由于理论的预期是这样，还有一个技术预期，通常的理论预期和技术预期会差别，因为理论预期认为是完美，技术预期认为是可实现的目标，在2000年的时候提出来了这样一个预期，用LED做照明，至少在技术上可以实心200lm是没有问题的，超高的光电转换效率预期，成为取代传统照明的第一诱因。在半导体宣讲里面有几个概念，比如说达到这样一个水平的时候，如果我们LED有一天真的能够达到这样一个效率的话，把中国的照明取代三分之一，一年节省的电至少是一个三峡水电站的电。美国人在09年底有一个很著名的预测，他们不是简单的预测，是统计了100年全世界照明的历史，又加LED可行性加了一个分析。如果用传统照明的话，因为照明通常是和GDP有一个线行的增长，如果按照这样一个预测，到2050年的时候，现在全世界发的电量不够，那时候照明用的电，如果还用煤等发电的话只能增长2到3倍。主要是由于这样的原因，大家对LED产生了极其大的关注。实际上，作为政府来说，最高关注是因为这样的一个原因。当然了，本身LED是光源革命性的变化，而不仅仅是效率的提高。半导体照明除了我前面举的例子，如果将来老百姓家里用的是LED的照明，你直接可以用这个灯作为无线上网的通讯，你可以把LED的光源调制到100兆，当然它有缺点了，LED的灯是可以开的，开到最低兆度的时候，你可以把它作为很多场合的无线传输。LED它不简简单单是一个照明，它的应用领域是极其丰富的。下面说一下LED技术发展的趋势。这是美国09年底每年会发布，全世界基本上把美国的能源部发展作为一个公认技术发展的路线图。这个图我就不细讲了，就是这样一个观念。在通用照明领域，02年的时候LED只占到0.03%，即使到了08年的数据也只占到了1%，预计到2015年会占到10%，到了2003年会占到20%到30%。飞利浦有一个预测比这个高得多，快得多。LED或者是半导体照明还有巨大空间，这个时间也会持续的比较持久。技术方面，大家都在关注什么，作为我们做研究的人来说，第一关注的依然是我说的方向。现在大家知道，产业的水平大概最好的也就在100到120lm左右，国内是80—100lm左右。如果不达到150lm以上，大家认为它的照明意义不大。这是一些数据，目前2010年达到的水平。整个一个灯的效率，每个效率一乘。效率问题当中最重要的两个效率是内量子效率和出光效率。多少个电能变成多少个光，第二就是出光，在我们LED里面还有一个很严重的问题，正负电子碰到一个光，光可能就在LED里面来回跑，这个问题是困扰全世界的两个技术问题，如果这两个问题得到比较大的突破以后，整个光效问题就有一个极大程度的解决。这两个问题在产业里面或者在研究里面来看是哪两个技术呢，就是在LED产业当中，主要取决于外延和芯片。内量子效率和出光效率的提升，不仅带来了光效的提升，同时极大缓解散热问题、寿命问题，并影响甚至改变结构。这是更学术一点，我们叫Droop效应，随着电流的加大，它的效率就会下降，并且下降的很厉害，这样的话怎么能够使电流加大的时候效率下降不多，这也是一个极其重要的问题，都牵扯到后续的寿命散热等问题，第一部分全世界无论是产业，特别是在研究领域里最关注的三个效率问题，一个是外量子效率一个是内量子效率，这是最典型的第一个。第二个我们叫发展方向，首先大家知道LED有外延材料，芯片结构分几种，有正装、倒装、垂直、倒装薄膜。这是一些个人的看法，不一定很对，目前还是以正装为主，但是正装和倒装相比，个人有一些不同的看法。曾经有一度大家认为倒装是一个趋势，虽然有好处但是它在芯片制造过程还是有了一些复杂度，并且光效提高，包括散热问题也带来了一些新的问题，潜力的并不是很大，但是目前主流产品我们个人认为垂直结构可能是整个LED未来发展的主要方向，但是现在掌握这个方向主要是在国际上。倒装薄膜有一定的好处，当然也有一定的成熟度不太成熟，大家对它的发展并不是特别的看好。LED必须要由直流来驱动的，全世界各地都是，发电本身是交流的，输送本身也是交流的，再把交流转化成直流比较麻烦，现在直接发明了一种交流LED，主要以韩国的首尔，技术是台湾来做的，也是在09年和2010年的发展比较快。当然有一些问题，光效也偏低一些，成本偏高一些，所以他们认为，交流LED可能适合要求量不高的，如果高的话可能还有一些问题，这个没有一些定论，也是将来的发展方向之一。第三个是模块化，刚才我讲了，大家也能看到这个LED灯，包括手电筒，能看到的灯都是一颗一颗的小LED。可能之模块化是一个趋势，比如说现在大体上是一瓦为标准，比如说五瓦做一个LED的变灯，现在已经开始做更大的，直接做一个五瓦的芯片封装起来，甚至做成10瓦、20瓦，30瓦，解决的不好它的效率会大大的下降。大家觉得可能是一个发展方式，一旦内量子效率和外量子效率有大幅度提高的时候，散热不会再成为问题的时候，可能就会出现整个LED光源的变化。所以这个也是一个发展的趋势之一，会发展成什么样大家没有定论，但是这是非常值得关注的一件事，维罗可能是一个超大芯片，这样可能会影响到整个LED产业的发展，包括芯片企业现有的芯片的形式都会发生改变。现在全世界85%左右还是2英寸左右，从2英寸开始到12英寸，为了降低成本，LED现在也开始往大尺寸走，主要还是取决于我国前面讲到的外延技术，现在大家认为可能以后会走到6英寸。这是一个更超前一点的，能否实现也没有定论的叫无荧光粉技术。现在技术上已经实现，我的外延材料直接通电以后发出的既不是蓝光，也不是红光，直接发出的是白光，我通过一些人工的结构，材料本身里面的既可以发黄光又可以发蓝光。如果说突破以后，整个又变了，没有荧光粉了整个的封装都不一样，所以这是学术界关注的问题。现在所有的，我指的是蓝光，基本上和照明没有直接的关系，刚才我说了必须有蓝光才有照明，蓝光目前是氮化镓这个体系的，目前面临的最大的问题，做材料的时候没有一个合适的基底，氮化镓没有氮化镓单晶难度太大，理论上类似于金刚石了，要在一万个大气压，几千度下才能做出来。当然有一些其他的方法在做。目前带来了很多的问题，实际上光效提不高的最主要的原因就是没有衬底，人们想了很多的办法到120lm的，如果只有衬底没有新的突破，大家有一定的看法，有人认为没问题。蓝宝石不用以后，除了光效提高，自