曾一平:大家上午好。我是頭一次參加這種類型的會,也是第一次在這樣類型的會上做報告。過去大概國際國內(nèi)的會議參加了很多,各種報告也做過很多,根本上是從純學(xué)術(shù)方面的,受到我的學(xué)生再三邀請,希望我能夠在這樣一個場合做LED產(chǎn)業(yè)和前景開展的報告,我們比擬誠惶誠恐。我們做科研的人通常既不懂產(chǎn)業(yè)也不懂市場,如何從專業(yè)的角度看市場,我還是試圖給大家做一點簡單的分析,講什么呢,后面我會給大家一些提示。今天上午我聽了一些報告,覺得還是很有感觸的。到現(xiàn)在為止我沒有買股票,參加了今天的這個會我可能會買點股票回去試一試。
題目和咱們定的不太一樣,我覺得還是根據(jù)我們現(xiàn)在的感受。半導(dǎo)體研究所是有一個中科院的照明研發(fā)中心。我更正一下我不是主任,主任是我們研究所的所長,照明中心直接是科學(xué)院的。照明中心成立于2006年,是我們國家投資最大的,相當(dāng)于投資一個億建成的,相當(dāng)于一個產(chǎn)業(yè)平臺,得到了國家的支持。我們大概每個月都會有全國各地的想開展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的地方政府和企業(yè)家到我們研究所,希望獲得一些咨詢和指導(dǎo)。但是我們能力有限,一般給不出指導(dǎo)。今天我根據(jù)我們的一些經(jīng)驗,LED半導(dǎo)體照明到底是怎么回事,我還是講一些技術(shù),大家對它有一些初步的了解之后,能獲得一些初步的判斷。
內(nèi)容包括這樣幾個方面,簡單的講一下,我花一點時間給大家簡單介紹一下LED。一個是LED用在哪些方面,雖然大家好象比擬清楚,但是還是給大家稍過一下,稍談一下LED和半導(dǎo)體證明,現(xiàn)在從政府從全世界來看,關(guān)注半導(dǎo)體證明并不是LED本身,還有國內(nèi)目前的一些根本狀況給大家介紹一下。
簡單說了LED的就是一個發(fā)光的二極管,簡單來說就是一個正電子和負電子組成的這樣一個材料,這種材料再加上電壓以后,兩個電子碰撞以后就研磨掉,產(chǎn)生一個光子,就發(fā)出光來了,就跟閃電的道理是一樣的。
第一個二極管產(chǎn)生于1962年,下邊是一個簡單的圖。二極管有這樣一些根本的特性,正是由于這些特性,決定了它現(xiàn)在處于這樣一個地位。顏色至少有90%是由材料決定的,也就是說我們?nèi)耸遣荒芨淖冞@個二極管的顏色的,用什么材料做成什么樣的二極管出現(xiàn)什么樣的顏色。也就是說在這個結(jié)構(gòu)當(dāng)中微微可以調(diào)整一下發(fā)光二極管的顏色。第二個所謂的二極管都是供電的,后面我會講到交流的開展趨勢,根本上是三到五伏的。第二個它的響應(yīng)時間是納秒,再一個是它的壽命,大家知道材料本體的壽命至少可以到達10萬小時。半導(dǎo)體是一個點光源,微米—毫米。未來的開展可能會有一些變化,但是總的來說它是一個微小的體積。發(fā)光二極管目前總的來看,在可見光的階段大概只有兩類,一類是深化加體系的,所有發(fā)紅光和黃光的二極管,我們都認為是在一個砷化鎵的體系當(dāng)中的,它涵蓋的顏色范圍是從紅光到黃光。另外一個和半導(dǎo)體照明聯(lián)系最緊密的,也是大家最關(guān)注的就是藍光和紫光一直到綠光這樣一個波段,這兩個材料體系構(gòu)成所有的發(fā)光二極管。這個我就不詳細介紹了,相對來說看起來還是稍微有點復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。比方說藍光的發(fā)光二極管,首先是由一個藍寶石的基底,這里有發(fā)光層,有很多的多種化合物組成的,像一個三明治結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)雖然不是特別復(fù)雜,但是控制難度非常大,每一次的厚度平均在兩個納米左右,也就是所有的發(fā)光的顏色,發(fā)光的性能,顏色、光效、漏電包括最后影響它的一致性和價格,80%都在這當(dāng)中決定了,這個做好了后面再做芯片,所有的性能都在這里決定了,這也是后來我要講到的在LED里面這是最核心的一個企業(yè)。整個發(fā)光二極管所有的特性80%都已經(jīng)決定了。
從儀表的顯示到靜態(tài)景觀照明到動態(tài)景觀照明,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣,這是背光源的很大應(yīng)用,從、MP3等這是簡單的背光源,到一些大的電腦背光源,稍微強調(diào)一下電視背光源這是08年開始,也就是09年正式起步的一個拉動LED市場最大的原動力在這一塊。這個正在起步的,像汽車電子里面除了尾燈之外,還有在汽車內(nèi)部一直到汽車的前大燈,這就是LED進入,現(xiàn)在大家都看到了,開始進入所謂的半導(dǎo)體照明的各種燈具,這是一個典型的案例,整個的餐館,所有的燈都是用LED來做的。未來人們期望的是到達這樣一個過程的時候,也就是半導(dǎo)體照明開展到中級階段的顯示。
LED在半導(dǎo)體領(lǐng)域當(dāng)中是很古老的器件,人們一直到上世紀90年代末期以前一直沒有受重視,大家并沒有覺得它有什么特別的重要性,正是由于光效提高以后,人們才發(fā)現(xiàn)它有重要的意義。如果要實現(xiàn)照明,實現(xiàn)白光的一些根本的方法,大家知道三基色,有紅、藍、綠三種顏色,同時可以用藍光和黃光也可以配出白光,現(xiàn)在我們看到的發(fā)光二極管做成白光照明用的全部是這樣一種方式,必須用藍色的發(fā)光二極管,然后用它激發(fā)黃色的熒光粉,但是它的造價本錢很高。
沒有藍光之前,LED是不會進入照明的,藍光是什么時候突破的?大概是在1994年,它在1992年到1994年整個實現(xiàn)了藍光LED技術(shù)性的突破,從這時候起,全世界拉開LED照明的序幕,日本大概是在1998年在政府的高度提出叫“21世紀照明〞,美國提出“下一代照明方案〞,歐盟是2000年提出“彩虹方案〞,中國在2003年七部委聯(lián)合提出了“中國半導(dǎo)體照明光程〞。是給大家展示一下,人類從非主動照明到主動照明,到火的時代,整個的過程照明的第一個時代是火的時代,第二個時代是電力的時代,第三局部就是這個半導(dǎo)體照明時代。大家為什么會把它上升為這樣一個高度呢?白熾燈是最古老最傳統(tǒng)的,但是它的發(fā)光效率大家都知道,大體上只能轉(zhuǎn)化成10%幾左右,也就是說把電變成光的效率只有80%的全部變成無用的,大家不可見的光,理論上現(xiàn)在大家都知道,所有做LED,一瓦的電發(fā)出多少的光,在傳統(tǒng)照明領(lǐng)域,發(fā)光效率最高的是高壓鈉燈,一瓦電可以發(fā)出120lm的光。半導(dǎo)體照明有兩種方法,如果用三種顏色的LED把它組成一個白光,每瓦的光可以到達每瓦355,是白熾燈的20倍左右。
這就是整個在半導(dǎo)體領(lǐng)域當(dāng)中的一個常用的數(shù)據(jù),就是因為這個數(shù)據(jù),由于理論的預(yù)期是這樣,還有一個技術(shù)預(yù)期,通常的理論預(yù)期和技術(shù)預(yù)期會差異,因為理論預(yù)期認為是完美,技術(shù)預(yù)期認為是可實現(xiàn)的目標,在2000年的時候提出來了這樣一個預(yù)期,用LED做照明,至少在技術(shù)上可以實心200lm是沒有問題的,超高的光電轉(zhuǎn)換效率預(yù)期,成為取代傳統(tǒng)照明的第一誘因。在半導(dǎo)體宣講里面有幾個概念,比方說到達這樣一個水平的時候,如果我們LED有一天真的能夠到達這樣一個效率的話,把中國的照明取代三分之一,一年節(jié)省的電至少是一個三峽水電站的電。美國人在09年底有一個很著名的預(yù)測,他們不是簡單的預(yù)測,是統(tǒng)計了100年全世界照明的歷史,又加LED可行性加了一個分析。如果用傳統(tǒng)照明的話,因為照明通常是和GDP有一個線行的增長,如果按照這樣一個預(yù)測,到2050年的時候,現(xiàn)在全世界發(fā)的電量不夠,那時候照明用的電,如果還用煤等發(fā)電的話只能增長2到3倍。主要是由于這樣的原因,大家對LED產(chǎn)生了極其大的關(guān)注。實際上,作為政府來說,最高關(guān)注是因為這樣的一個原因。當(dāng)然了,本身LED是光源革命性的變化,而不僅僅是效率的提高。
半導(dǎo)體照明除了我前面舉的例子,如果將來老百姓家里用的是LED的照明,你直接可以用這個燈作為無線上網(wǎng)的通訊,你可以把LED的光源調(diào)制到100兆,當(dāng)然它有缺點了,LED的燈是可以開的,開到最低兆度的時候,你可以把它作為很多場合的無線傳輸。LED它不簡簡單單是一個照明,它的應(yīng)用領(lǐng)域是極其豐富的。
下面說一下LED技術(shù)開展的趨勢。這是美國09年底每年會發(fā)布,全世界根本上把美國的能源部開展作為一個公認技術(shù)開展的路線圖。
這個圖我就不細講了,就是這樣一個觀念。在通用照明領(lǐng)域,02年的時候LED只占到0.03%,即使到了08年的數(shù)據(jù)也只占到了1%,預(yù)計到2021年會占到10%,到了2003年會占到20%到30%。飛利浦有一個預(yù)測比這個高得多,快得多。LED或者是半導(dǎo)體照明還有巨大空間,這個時間也會持續(xù)的比擬持久。技術(shù)方面,大家都在關(guān)注什么,作為我們做研究的人來說,第一關(guān)注的依然是我說的方向。現(xiàn)在大家知道,產(chǎn)業(yè)的水平大概最好的也就在100到120lm左右,國內(nèi)是80—100lm左右。如果不到達150lm以上,大家認為它的照明意義不大。這是一些數(shù)據(jù),目前2021年到達的水平。整個一個燈的效率,每個效率一乘。
效率問題當(dāng)中最重要的兩個效率是內(nèi)量子效率和出光效率。多少個電能變成多少個光,第二就是出光,在我們LED里面還有一個很嚴重的問題,正負電子碰到一個光,光可能就在LED里面來回跑,這個問題是困擾全世界的兩個技術(shù)問題,如果這兩個問題得到比擬大的突破以后,整個光效問題就有一個極大程度的解決。這兩個問題在產(chǎn)業(yè)里面或者在研究里面來看是哪兩個技術(shù)呢,就是在LED產(chǎn)業(yè)當(dāng)中,主要取決于外延和芯片。內(nèi)量子效率和出光效率的提升,不僅帶來了光效的提升,同時極大緩解散熱問題、壽命問題,并影響甚至改變結(jié)構(gòu)。
這是更學(xué)術(shù)一點,我們叫Droop效應(yīng),隨著電流的加大,它的效率就會下降,并且下降的很厲害,這樣的話怎么能夠使電流加大的時候效率下降不多,這也是一個極其重要的問題,都牽扯到后續(xù)的壽命散熱等問題,第一局部全世界無論是產(chǎn)業(yè),特別是在研究領(lǐng)域里最關(guān)注的三個效率問題,一個是外量子效率一個是內(nèi)量子效率,這是最典型的第一個。
第二個我們叫開展方向,首先大家知道LED有外延材料,芯片結(jié)構(gòu)分幾種,有正裝、倒裝、垂直、倒裝薄膜。這是一些個人的看法,不一定很對,目前還是以正裝為主,但是正裝和倒裝相比,個人有一些不同的看法。曾經(jīng)有一度大家認為倒裝是一個趨勢,雖然有好處但是它在芯片制造過程還是有了一些復(fù)雜度,并且光效提高,包括散熱問題也帶來了一些新的問題,潛力的并不是很大,但是目前主流產(chǎn)品我們個人認為垂直結(jié)構(gòu)可能是整個LED未來開展的主要方向,但是現(xiàn)在掌握這個方向主要是在國際上。倒裝薄膜有一定的好處,當(dāng)然也有一定的成熟度不太成熟,大家對它的開展并不是特別的看好。
LED必須要由直流來驅(qū)動的,全世界各地都是,發(fā)電本身是交流的,輸送本身也是交流的,再把交流轉(zhuǎn)化成直流比擬麻煩,現(xiàn)在直接創(chuàng)造了一種交流LED,主要以韓國的首爾,技術(shù)是臺灣來做的,也是在09年和2021年的開展比擬快。當(dāng)然有一些問題,光效也偏低一些,本錢偏高一些,所以他們認為,交流LED可能適合要求量不高的,如果高的話可能還有一些問題,這個沒有一些定論,也是將來的開展方向之一。
第三個是模塊化,剛剛我講了,大家也能看到這個LED燈,包括手電筒,能看到的燈都是一顆一顆的小LED??赡苤K化是一個趨勢,比方說現(xiàn)在大體上是一瓦為標準,比方說五瓦做一個LED的變燈,現(xiàn)在已經(jīng)開始做更大的,直接做一個五瓦的芯片封裝起來,甚至做成10瓦、20瓦,30瓦,解決的不好它的效率會大大的下降。大家覺得可能是一個開展方式,一旦內(nèi)量子效率和外量子效率有大幅度提高的時候,散熱不會再成為問題的時候,可能就會出現(xiàn)整個LED光源的變化。所以這個也是一個開展的趨勢之一,會開展成什么樣大家沒有定論,但是這是非常值得關(guān)注的一件事,維羅可能是一個超大芯片,這樣可能會影響到整個LED產(chǎn)業(yè)的開展,包括芯片企業(yè)現(xiàn)有的芯片的形式都會發(fā)生改變。
現(xiàn)在全世界85%左右還是2英寸左右,從2英寸開始到12英寸,為了降低本錢,LED現(xiàn)在也開始往大尺寸走,主要還是取決于我國前面講到的外延技術(shù),現(xiàn)在大家認為可能以后會走到6英寸。
這是一個更超前一點的,能否實現(xiàn)也沒有定論的叫無熒光粉技術(shù)?,F(xiàn)在技術(shù)上已經(jīng)實現(xiàn),我的外延材料直接通電以后發(fā)出的既不是藍光,也不是紅光,直接發(fā)出的是白光,我通過一些人工的結(jié)構(gòu),材料本身里面的既可以發(fā)黃光又可以發(fā)藍光。如果說突破以后,整個又變了,沒有熒光粉了整個的封裝都不一樣,所以這是學(xué)術(shù)界關(guān)注的問題。
現(xiàn)在所有的,我指的是藍光,根本上和照明沒有直接的關(guān)系,剛剛我說了必須有藍光才有照明,藍光目前是氮化鎵這個體系的,目前面臨的最大的問題,做材料的時候沒有一個適宜的基底,氮化鎵沒有氮化鎵單晶難度太大,理論上類似于金剛石了,要在一萬個大氣壓,幾千度下才能做出來。當(dāng)然有一些其他的方法在做。目前帶來了很多的問題,實際上光效提不高的最主要的原因就是沒有襯底,人們想了很多的方法到120lm的,如果只有襯底沒有新的突破,大家有一定的看法,有人認為沒問題。藍寶石不用以后,除了光效提高,自然是一個垂直結(jié)構(gòu),不是剛剛我們說的正裝、倒裝都不需要了,藍寶石不導(dǎo)電,才導(dǎo)致現(xiàn)在有正裝和倒裝的結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)在什么時候氮化鎵的襯底能到達一個商業(yè)化可用的水平,現(xiàn)在還沒有一定的說法,但是這是一個極其重要的開展趨勢。
簡單說一下產(chǎn)業(yè)鏈的劃分,整個LED產(chǎn)業(yè)鏈大概看一下有六大局部。剛剛我說襯底自然是很重要的,它是非常獨立的一局部,因為藍寶石襯底你可以用來做氮化鎵,還可以做別的,僅僅是一個襯底,照明產(chǎn)業(yè)本身不具備技術(shù)很密切的關(guān)聯(lián)性。第二是設(shè)備,設(shè)備也是很獨立的一塊,最緊密的這一塊我們叫外延、封裝到應(yīng)用,我把這兩快放在一起,全世界90%的產(chǎn)業(yè)鏈外延和芯片是同一家企業(yè)在做的,除了當(dāng)初韓國有一點,國內(nèi)有一家。封裝是很獨立的一塊,整個產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中所謂的效率等一些問題決定了整個的應(yīng)用,所以大家都認為這是整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心產(chǎn)業(yè)。如果前面一旦發(fā)生一些變化,那么這個產(chǎn)業(yè)鏈封裝的芯片,大家認為在模塊化以后,這個產(chǎn)業(yè)鏈可能會有融合。
如果以后用AC的話,產(chǎn)業(yè)鏈又變了,所以技術(shù)的開展對產(chǎn)業(yè)的開展又會有很大的改變。簡單說一下國內(nèi)現(xiàn)在的現(xiàn)狀,中國大概在十五末的水平了,大概在2005年左右已經(jīng)有這樣的水平了,當(dāng)時國際上至少已經(jīng)到六七十、七八十這樣的水平了,目前國內(nèi)是這樣的一個水平,80到100lm/W,我們不少還有在80多的,還有接近100的總體水平,韓國和臺灣大體是這樣的水平,美日歐大致在這樣的水平以上,衡量這些水平的經(jīng)典指標,這是國內(nèi)企業(yè)和國際企業(yè)的根本狀況。這是LED現(xiàn)在所謂在LED比擬權(quán)威的,它每年會統(tǒng)計全世界各國,這是09年底統(tǒng)計的產(chǎn)業(yè)排名,這個排名沒有太大意思,但是大體上說明了什么,前十位我們認為這是中國目前LED產(chǎn)業(yè)的核心企業(yè),我稍解釋一下,這個排名是這樣的,它只排銷售額,但是這個銷售額它排什么名次呢,另外這個企業(yè)如果不做外延是不統(tǒng)計的,因為不做外延大家在LED產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中不認為是一個核心技術(shù)產(chǎn)業(yè),所以不做統(tǒng)計。如果沒有自己的外延產(chǎn)業(yè),不參加本次排名,他們給的這樣一個解釋。目前中國大概已經(jīng)有62個所謂的既做外延也做芯片,剛投產(chǎn)的一些企業(yè)。但是前十位,我們認為還是目前中國比擬有一定實力,有一定根底的,有一定地位的核心企業(yè)。
這是一個世界上的LED的排名,前幾位根本上是日本和美國的企業(yè)。上游的不太多,主要是下游的應(yīng)用產(chǎn)業(yè),所以大家對這些排名有一些看法。公認的全世界的頂級巨頭,根本上被這三家囊括了。
這是我們的一點體會和總結(jié),國內(nèi)的半導(dǎo)體照明核心企業(yè),雖然有前十名的排名,但是大家認為還沒有龍頭企業(yè),并沒有一家獨大的局面。產(chǎn)業(yè)規(guī)模有所差異,但根本水平根本上是在一個水平線上。與歐美日相比,我們國家缺乏核心技術(shù),我們的產(chǎn)品根本上不在LED的高端。新技術(shù)開發(fā)不多,這幾年公布的也好,發(fā)布的也好,新方法、新技術(shù)大概還是以歐日美為主??傮w來說我們是處于一個跟蹤地位,但是開展極快,差距縮小的很多,現(xiàn)在認為可能只有兩三年的差距,差距很小開展很快,這是一個非??上驳摹_€有大家一致認為,即使能進入通用照明,中國也不會存在過多的62家企業(yè),中國什么時候開始不知道,但是大家認為,在幾年或者是長一段時間以后,中國的LED企業(yè)會發(fā)生比擬多的兼并和重組。
現(xiàn)在主要是以背光源和通用照明,最大的一塊來源于背光源,增長的一塊主要是超高亮度,比方說普通顯示要求很低了,檔次很高,主要增長是超高亮度這一塊,還有一些數(shù)據(jù)我就簡單的過一下。
從背光源來看,電視背光源肯定是未來增長最大的一塊,并且份額也會最大,到2021年會超過所有的等一些小的背光源。目前的背光源占的還比擬少,但是說法不一樣,從09年到2021年增長了30%,以韓國三星為代表的,整個拉動LED市場目前最大的驅(qū)動力是電視的背光源。這一塊是照明,照明的增長看法有三條曲線,大概認為比擬合理的是中間的這樣一條曲線。這是整個的驅(qū)動力,實際上這一塊是價格的變化,未來的形勢有很大的變化,這是降低本錢的主要途徑。另外我說,效率在假設(shè)干年內(nèi)依然關(guān)注的問題,第三是芯片企業(yè)是一些質(zhì)量的改良。
后面是一些國家科研比擬大的規(guī)劃,一個是產(chǎn)業(yè)方面的低本錢的技術(shù),另外就是大尺寸的LED,OLED作為照明領(lǐng)域,顯示可能會有很大的開展,但是作為照明可能是一個補充,LED現(xiàn)在面臨著一個很關(guān)鍵的問題,我們的裝備完全依賴于進口。剛剛我說的模塊化集成化,在國家層面的一些規(guī)劃。這是模塊化和集成化新的開展方向,包括醫(yī)療的,還有LED的爭論比擬大,就是作為照明的話是對人的生理是有一定影響的,所以現(xiàn)在已經(jīng)提升到對生物學(xué)和生物效應(yīng)這一塊。
這一點是一個簡單的人家做的比擬詳細的測試,大家知道現(xiàn)在路燈很多都用LED了,到底合算不合算,在現(xiàn)場做了跟蹤測試,多少個燈顯示的時候只考慮兩張表,它有很多的表,最后就得出這樣的一個結(jié)論。LED燈具均勻度低,同樣歷程道路比高壓鈉燈使用的等數(shù)高出20%到30%左右,才能滿足城市道路照明設(shè)計標準?,單燈燈具價格高于高壓鈉燈4倍多,雖然維護本錢耗電量降低,但初始投資本錢遠遠高于高壓鈉燈,整體運行本錢是高壓鈉燈2倍多。
這樣來看,半導(dǎo)體照明實際是剛剛開始,也就是說還沒有真正的進入,特別是技術(shù)開展的空間巨大,應(yīng)用領(lǐng)域會不斷的超出我們的預(yù)期。還有一點,我們認為目前半導(dǎo)體照明的技術(shù),作為企業(yè)來說技術(shù)會比規(guī)模更重要,但是規(guī)模有個前提,太小的規(guī)模沒有實力,自己的研發(fā)都做不了,實際開始并不是拼的是規(guī)模,由于它特殊的地位和前景,我們認為技術(shù)比規(guī)模更重要,這是我一點個人的看法。
我作為一名材料和器件的科研人員,講法可能比擬片面,以上講述僅供參考,謝謝大家。