中国科技财富杂志：LED照亮中国

　　邵博士的归国之旅

　　2005年9月1日，科技部部长徐冠华在科技部三楼会议室接见了以邵春林博士为代表的从日本、美国归国博士团队。这是邵博士在最近一个月的第二次回国。

　　1986年，邵春林博士在日本名古屋大学研究生院获取工学博士学位。1987年回国后，

攻读光电子专业的邵春林在国内还没有合适的位置，于是1991年又回到日本继续从事研究工作。从1980年读硕士开始从事化合物半导体研究，邵春林在半导体光电器件研究领域已经有20多年的经验，并见证了日本光电子技术发展成为世界最领先国家的全过程。

　　邵春林目前工作的名古屋工业大学纳米器件及系统研究中心是日本LED最重要的三个技术源之一，也是日本LED产业核心设备MOCVD(有机金属化学气相沉积)生产企业——日本大阳酸素(SANSO)的技术支持单位，目前该公司的MOCVD设备占到日本80%市场。大阳酸素MOCVD前4台样机，基本上是在邵春林所在的研究中心完成。更重要的是，通过邵春林的努力，名古屋工业大学纳米器件及系统研究中心已经有一批中国研究人员，掌握了发光半导体外延芯片的生长、光电子器件和光传感器的完整技术。

　　9月1日，邵春林拜访徐冠华部长的主要议题，就是中国光电子产业的发展规划。在这之前的8月中旬，邵春林博士已经和“国家半导体照明”工程秘书处有过了深入的沟通。邵春林介绍，在LED领域，主要有三个环节：就是发光半导体外延片的生长、芯片和封装。目前国内三个环节都有，在中低端的应用领域还有一定基础。但是在关键环节，尤其是外延片的生长环节，与世界一流水平还有较大的差距。从产业价值链的情况看，外延片的生长要占到70%的价值。高质量的外延片已经成为中国LED产业发展的主要制约环节。

　　国内著名光电子半导体专家、工程院院士陈良惠教授在去年访问名古屋工业大学纳米器件及系统研究中心时说，在LED领域，以邵春林为核心的团队在世界上都是少见的。邵春林博士对回国将中国LED产业提升到国际一流水平也满怀信心。

　　国家半导体照明工程

　　实际上早在1907年，人类就发现了半导体材料通电发光现象，不过真正商用的LED是上世纪60年代。当时的LED由化合物半导体材料GaAsP制成，发红光。在整个上世纪60、70年代，LED的发光效率非常低，而且不能激发非常重要的原色——蓝光。在此阶段，LED主要应用于各种昂贵设备，作为信号指示灯。

　　进入20世纪90年代，随着氮化物LED的发明，LED的发光效率有了质的飞跃，而组成白光的重要原色蓝光，也在1992年由日本著名LED企业日亚化学的中村修二发明。这样整个可见光领域的单色LED已经完整，能够满足各种单色发光的应用场所。

　　影响LED产业发展最重大的变化，是高亮度白光LED的发明。自1997年白光LED发明后，专家对白光LED进入普通照明领域的可能进行了研究。作为光源，LED优势体现在三个方面：节能、环保和长寿命。LED不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，相比荧光灯，LED也可以达到50%的节能效果。中国绿色照明工程促进项目办公室做过一个专项调查，我国照明用电每年在3000亿度以上，用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，节省1/3的照明用电，就意味着节约1000亿度，相当于一个总投资超过2000亿三峡工程全年的发电量。这对能源十分紧张的中国来说，无疑具有十分重要的意义。同样，美国能源部也有一个类似的预测，到2010年美国一半的白炽灯如果由LED取代的话，仅节约的电费就达到350亿美元。在使用寿命方面，LED采用固体封装，结构牢固，寿命达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。在环保方面，用LED替代荧光灯，避免了荧光灯管破裂溢出汞的二次污染。

　　正是在这种背景下，美国、日本、欧洲、韩国都制定了相应的国家半导体照明计划。例如日本于1998年在世界率先开展“21世纪照明”计划，旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED技术使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍，减少CO2的产生，并在2006年完成用LED替代50%的传统照明。整个计划的财政预算为60亿日元。从1998-2002年，耗资50亿日元的第一期目标，目前已经完成。现在，日本正在实施第二期计划，计划到2010年LED的发光效率达到120 lm/W。

　　美国2000年制订的“下一代照明计划”(NGLI)被列入了能源法案，计划从2000年-2010年，投资5亿美元。美国半导体照明计划将取得这样的成绩：减少 2.58亿吨碳污染物的排出；少建133座新的电站；预计到2010年，55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代，到2025年，固态照明光源的使用将使照明用电减少一半，每年节电额达350亿美元；累计节约财政开支1150亿美元；形成一个每年产值超过500亿美元的半导体照明产业市场；带来高质量的数以百万计的工作机会。

　　欧盟的“彩虹计划”在2000年7月启动，通过欧盟的补助金来推广白光发光二极管的应用。希望通过应用半导体照明实现高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标。

　　韩国“GaN半导体开发计划”从2000年至2008年，由政府投入4.72亿美元，企业投入7.36亿美元来进行。研究项目包括以GaN为研究材料的白光LED，蓝、绿光激光二极管及高功率电子组件三大领域。

　　2003年6月17日，由中国科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组”，提出了我国实施半导体照明工程的总体方针，确定从协调领导小组成立之日起，到2005年年底前的这段时间，为半导体照明工程项目的紧急启动期，并在“十五”攻关计划中紧急启动半导体照明产业化关键技术重大项目，在此期间要结合制定国家中长期科技发展规划和第十一个科技五年计划，研究提出中国半导体照明产业发展的总体战略和实施方案。从2006年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。

　　目前，科技部已经批准上海、大连、南昌、厦门以及深圳作为产业化基地。今年6月，深圳“国家半导体照明工程产业化基地”在宝安区光明高新技术园区奠基挂牌，产业基地的目标是——至2010年，上、中、下游及应用产品企业超过200家，年销售收入接近1000亿元，创汇超过25亿美元。

　　2004年通过科技部产业化基地批准的南昌市，计划建设以“一区”(南昌国家高新技术产业开发区)、“一校”(南昌大学)为基本框架，在以企业为投资主体的同时，市政府每年拨出600万元专项资金，用于支持企业研发、技术公共平台建设和项目贷款贴息，并通过人才资源整合及创新机制，集中力量新建两个国家级工程技术研究中心。按照基地建设阶段目标，“十五”和“十一五”期间，基地内企业投资将分别达10亿元和20亿元，至2005年和2010年，其半导体发光材料和器件、显示屏照明光源和LED灯具将分别达到每年30亿元和100亿元的经济规模。

　　最早被科技部批准成为产业化基地的厦门市将光电产业作为新型产业给予政策和资金等方面的倾斜支持。厦门市高新区已决定设立“厦门光电子孵化器”，以创业孵化方面的经验和优势，在资本、技术、人才、管理等多个方面为这些科技型中小企业提供专业化的服务和支持，推动这些企业的快速成长。同时加快由“孵化企业”向“孵化产业”推进，迅速培育出一条产业链和产业带。另外，中国台湾作为全球第二大LED产业基地，而厦门正是台湾企业产业转移的最佳目的地之一。近两年来，台湾的光电产业正在向祖国大陆进行大规模的产业梯度转移。目前在厦门大型光电企业中，有三分之一来自台湾，落户厦门火炬高新区的大型LED企业中就有自台湾明达、趋动等。厦门市已经确立了建立台湾光电子产业二次创业产业基地目标。预计到2010年，厦门光电子产业规模将达到200亿元的规模。

　　粗略计算5大产业基地的目标，到2010年，整个中国LED产业将超过1500亿元的规模。

　　LED的现实应用

　　不过，业界一致的看法是LED要真正进入普通照明领域，需要在2010年后。目前工业生产LED的关键技术指标——发光效率是50lm/W，高于白炽灯典型的发光效率15lm/W，不及荧光灯典型的发光效率80lm/W。世界领先的LED厂商日本日亚化学预测，超过100lm/W高亮LED最快也要到2008年才能开发。业内专家普遍认为，LED要进入日常照明领域，至少要达到120lm/W的发光效率。

　　同上世纪60、70年代，LED产业发展初期不同，LED虽然进入日常照明领域还需要假以时日，但是目前LED的应用领域已经非常广泛。

　　实际上，从全球市场来看，高亮度LED主要的应用领域还是在移动设备的背光源上，这种需求占整个市场的近60%。另一个主要市场是汽车和信号灯市场。黄振春博士在美国博士后研究就主攻外延片生长。2001年，黄博士回国创办LED封装企业——奥雷光电，并担任公司的CEO在中国LED还有一个巨大的应用空间就是景观灯。

　　黄振春说，现在很多城市的楼宇都是依靠高功率射灯勾画建筑轮廓，非常耗电。近几年电力紧张，城市亮化工程不得不停下来。利用LED将建筑轮廓勾画出来是完全可能的。从视觉效果看，射灯依靠的是楼宇反光，需要很高的亮度，而LED是自身发光，在同样视觉效果下能耗将大大降低。更重要的是，LED色彩丰富，可以构成彩色图案。黄振春介绍奥雷光电在重庆做了一栋大楼的景观灯。整个形象如一个巨大的川剧脸谱， LED封装材料是彩色的，白天看是一个脸谱的形象，晚上发光也是彩色的脸谱形象。

　　在城市中大量应用的广告牌也可以部分用LED取代，现在的广告牌基本采用喷绘加射灯照明，视觉效果是喷绘反射光的效果，需要很高的照度，而采用LED则不需要反射。目前在国内城市上海、厦门、重庆等都展开了LED景观照明示范工程。而2008年北京奥运会、2010年上海世博会召开，也会大大促进LED在景观照明中的应用。有资料显示，北京地铁照明每年更换的灯就有10%左右，而长寿命省电LED的使用必然会减少大量更换维护费用，这对城市公共照明无疑是一条可行的解决之道。可以预测，未来5年LED必然在国内景观照明中得到迅速普及。重庆市政府计划在2006年投资1.6亿元人民币来支持景观照明，加上地方各区和建筑业主再自行配套，预计投资将在3亿元人民币左右。据保守估计，假如全国100座大中城市，每座城市平均在景观照明上的投资为1亿元人民币，将具有100亿元人民币的市场规模。目前LED管的价值约占景观产品的1/2，那么估计每年高亮度LED的用量约为100-200亿只。国家半导体照明协调领导小组办公室于2005年4月在厦门国际会议上发表的报告指出：到2008年，我国的城市景观灯光市场将达到200亿人民币左右，成为LED市场最大的应用领域。

　　最近两年，LED主要应用领域——手持设备增长有限，不过在汽车等高端应用领域，LED的市场空间正在飞速成长。有资料显示，目前欧洲80%以上的汽车采用了LED照明。例如普遍采用的高位刹车灯，由于LED反应速度比传统白炽灯快一个数量级，相比传统白炽灯可以给后车增加0.3秒的反应时间，可以大大降低追尾事故的发生。同时我国也规定，上高速公路的汽车必须按照安装LED雾灯。在汽车照明领域，除了前大灯目前LED还达不到大规模应用的要求，其他如仪表指示灯、车内照明灯、尾灯等都可以用LED取代。LED灯在汽车照明的优势就是可以制作成任何形状，同时LED灯的寿命往往超过汽车使用寿命，不需要更换。

　　另一块高速发展的市场就是大屏幕LCD背光源，目前丰田合成已经开发成功32寸LCD的背光源。东芝公司在其著名的U100笔记本7.2英寸

　　另外在光通讯领域，LED有可能迎来新的发展高潮。黄振春领导的奥雷光电最近通过了思科的供应商认证，提供的产品就是光通讯领域用的信号发生器。黄振春介绍，国内智能大厦已经开始施工。例如镇江恒美家园就是光纤入户，实现电视、电话和互联网三网的融合。在这个过程中，就需要大量的收发、交换和开关器件。奥雷光电给思科生产的就是光信号发生器。黄振春戏言，光给思科供货，就够公司吃饭。目前光纤的价格已经降到可以接受的范围，光纤入户、光纤到桌面完全可能。这可能给LED带来一个爆发性的增长。

　　随着器件水平的发展，有一些新的应用也被开发。国际上有报道在农业上，利用特殊波长的紫外LED可以杀虫。在医疗领域，比如治疗癌症，可以将特殊波长紫外LED植入体内，有针对的对癌细胞进行照射。

　　实际上

　　中国现状

　　但是中国的LED产业面临一个巨大的问题就是技术水平太低。据黄振春介绍，中国LED产业刚刚处于起步阶段，不但与日本、美国、欧洲有巨大的差距，即便是与中国台湾相比，也相去甚远。

　　黄振春估计，国内LED的产业规模在100亿左右，而日本仅日亚化学一家去年的销售收入就达到20亿美元，国内产业规模相当于日亚化学一家的一半多一点。目前国内有10几家做LED外延芯片和芯片封装的公司，产业规模较小，最大的也不过2、3亿的产值。国内的外延片生长技术主要来源于美国，基本上是进口美国的有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备，这些设备在美国就不是一流的设备。邵春林博士介绍，在整个LED产业外延片的生长、芯片、芯片封装三个环节中，外延片生长投资要占到70%，外延片成本要占到封装成成品芯片的70%，同时外延片生长技术的人才全世界都缺乏。简单的说，外延片的水平决定了整个LED产业水平。

　　外延片的生长不但需要一流的MOCVD设备，更重要的是在衬底材料上生长出50来层的外延片，要求每一层的外延片原子排列和衬底一致，生产过程中相关的参数有上千个，调试这些参数需要大量时间金钱的投入。黄振春说，日美等发达国家有长时间的技术积累，可以在上千中参数变化中进行优选，而中国的生长过程往往是做了一小部分参数变化就开始。就原材料而言，有机金属化学气相沉积生产工艺要求进入的原材料有非常高的纯度，比如99.9999%，6个9，而国内生产的原材料很多达不到这个要求。目前国内还没有掌握MOCVD设备生产的人才，更不用说企业，国内LED产业水平也就很难在短时间有所突破。

　　另外，黄振春博士说国内习惯用实验室的技术水平和国外产业化水平相比。实际上实验室技术水平产业化还需要几年的时间。黄振春借用欧洲光学工业协会主席Schulte博士的话说，中国目前要认识到在产业技术水平上和发达国家的差距。

　　黄振春举例，日亚化学生产的大功率白光LED的价格接近50元/只，美国的价格大约是近30元/只，中国台湾的是15元/只。国外一流厂商的价格高，而且往往买不到。国内一些应用就只能采用低价格的芯片。例如在LED很重要的市场景观照明中，国内部分企业采用的芯片有0.1%的故障率，但是用LED做灯管一般都是150只串连，坏一只整个灯管就不亮，这样就有10%以上的故障率，在现实应用中有很多失败的例子。甚至有很多企业用LED方案去投标，具体实施却采用传统照明的方式。

　　iSupply也分析，在中低端LED产业领域，亚洲尤其是中国公司陷如了激烈的价格竞争，但是世界一流的日亚化学、丰田合成以及Cree、欧思朗等企业都保持了良好的利润。据报道，日亚化学2004年税前利润率达到56%。

　　邵春林博士介绍，目前世界一流的LED企业中，日亚化学与美国Lumileds Lighting公司联合，美国Cree公司与日本LED企业联合，都想垄断世界高亮度LED市场。从世界高亮LED出口情况看，日本、美国和中国台湾占到世界出口市场的86%，中国仅占3%。

　　不过目前的现状正在迅速改变，一方面有国家LED产业政策的支持，国家、产业基地和企业的投资正在高速增长；另一方面，类似邵春林团队的回国必然带动整个产业技术水平的提升。

　　产业前景

　　LED产业最诱人的前景也许还不是目前看到的应用。目前国际上普遍的看法是，光电子技术是21世纪的尖端科技。如果将21世纪具有代表意义的主导产业排序，第一是光电子产业，第二是信息通信产业，第三是健康和福利产业。

　　而LED正是光电子产业中最重要的光电子材料和组件，是整个光电子产业的基础。目前最活跃的光电子产业中，例如光通信向超大容量、高速率和全光网方向发展，超大容量DWDM的全光网络将成为主要的发展趋势；光显示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向发展；光存储将更多地采用新技术和新材料，开发出新一代高密度、高速光存储技术和系统；光输出入产品向多功能、高速化、低成本方向发展；光器件的发展趋势是小型化、高可靠性、多功能、模块化和集成化；激光技术向全固化、超短波长、微加工和高可靠性等方向发展，激光技术与其它学科的融合以及应用领域范围不断扩大；光子计算与光信息处理产业、全光电子通信产业、光子集成器件产业、聚合物光纤光缆产业、聚合物光电器件产业和光子传感器产业等等，无不是以LED为代表的光电子材料和组件为基础。

　　科学界预测，到2005年，光电子产业的产值将达到电子产业产值水平；到2010年，以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模； 2010年至2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。

　　其实在LED产业领域，也有类似微电子领域的摩尔定律。安捷伦的前任技术科学家Roland Haitz预测，LED的价格每十年将为原来的10分之一，性能则提高20倍，这个预测后来被业界称为Haitz定律。正是这个预测，给未来的LED产业带来了无限广阔的前景。

　　LED

　　LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。

　　发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。目前发光半导体材料主要由III-V族元素组成，例如磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)，氮化镓等等。就整个全球产业界而言，基于MOCVD外延生长的技术路线是发展GaN基光电子材料与器件的主要技术潮流。GaN基材料的外延生长是发展GaN基高亮度LED和全固态半导体白光照明光源的核心技术，是所有关键难题中的重中之重。

　　在GaN基光电子器件中，大量的专利内容集中于发光区的结构设计，专利设计的目的均是为了提高活性区的发光效率。