中国LED研发与产业发展战略决策思考

    近年来，我国LED产业发展迅速，现阶段从事该产业的人达数十万，研究机构近百个，企业数千家。从全球LED产业竞争格局看，当前国内LED封装企业自动化水平提升较快，以道路照明为主的照明应用产业取得了突破性发展，LED封装和应用方面在规模和产业化技术方面在全球具有重要影响力；另一方面，国内LED外延和芯片企业的产能和技术水平有了一定提升，上游产业保持了良好的发展势头，但总体上讲，在全球的竞争力相对还比较弱。在此背景下，科技部适时启动了“十城万盏”计划，极大地推动了国内官、产、学各界对半导体照明事业发展的热情。值此机会，我们将近年来在调研基础上形成的有关LED研发和产业发展的想法提出来，供业内同仁参考和指正。

    一、未来产业发展特征：技术和市场一起成长

    实际照明灯具的输出光通量通常在上千流明至数万流明，而目前单颗高端功率型白光LED的光通量仅在100流明左右，因此半导体照明灯具通常由数十至上百个集群白光LED组成。以目前的LED性能而论，低压、恒流驱动的集群LED的使用造成半导体照明灯具必须解决巨大热量的耗散和由交流市电向低压恒流转换而引起的电源管理问题。另外，传统封装的功率型LED的小光通、高亮度的发光特性会造成非常严重的眩光。所以，半导体照明技术不仅限于芯片的制作和封装技术，而是一个包含了光学设计、热量和电源管理等在内的系统级技术。

    从LED外延片到最终的照明灯具需要经过材料外延→芯片制作→管芯封装→灯具设计和装配等一系列产业链环节。一方面，从外延片到最终照明和显示应用，产业链的各个环节都能形成独立的产品，并具有各自的技术壁垒和研发需求；另一方面，终端应用产品的质量会受到每个环节的影响。例如，半导体照明的核心部件是LED芯片，但LED芯片的发光效率达到100lm/W,并不等于半导体照明灯具的效率也达到了100lm/W;更为重要的是，半导体照明产品要获得市场认同，包括灯具效率、可靠性、人眼舒适性等在内的综合性能相对于传统照明产品必须获得明显的优势。换句话说，即使半导体照明灯具的效率达到了100lm/W,也不意味它就一定能为市场所接受，半导体照明本身还有许多科学问题需要研究，比如照明效果和品质包括显色性、色品一致性、人眼舒适性等。

    只有当技术的发展使得半导体照明灯具在效率、照明品质、设计新颖性等方面相对传统光源取得优势，半导体照明才可能进入并不断开拓市场。另一方面，市场的扩大会促使产量扩充及业界研发投入的增加，加速技术进步，从而使性能提升并且成本与价格逐渐下降。上述两个过程交替往复，最终导致半导体照明产业的快速发展。

    二、未来市场集中领域：半导体照明和LED显示

    半导体照明产业主要包括面向室外通用照明、室内通用照明等的上、中、下游产业；LED显示产业主要包括LED背光源以及LED显示屏领域的上、中、下游产业。就技术层面来说，上、中、下游产业技术分别是材料外延和芯片制备、封装、模组和灯具制造技术。半导体照明和LED显示产品的上、中游产业技术基本上是相同的，区别主要在于下游技术。

    1、未来半导体照明市场最大的部分将是通用照明

    通用照明包括室内照明和室外照明两大类。

这两类应用都要求灯具具有高发光效率、长寿命、环保等特性，其主要差别在于室内照明光源对照明效果和品质（包括显色性、色品一致性、光源的出射度和均匀性、人眼舒适性等）有较高的要求，且其面向的消费群体对灯具价格更敏感。另一方面，蓝光芯片的发光效率的优势有待进一步提高且受限于白光LED的封装技术，目前的半导体照明灯具大多为高色温冷白光，加之色品一致性与传统照明相比还不尽如人意，使得半导体照明灯具目前在室外照明中有较大规模应用，而在室内照明中才刚刚开始起步。因此，受限于成本和照明品质，半导体照明将率先在室外照明大规模应用，之后随着技术的不断发展逐渐进入室内照明领域。

    室外照明的一个典型应用是路灯，路灯是城市照明的重要组成部分，其耗电量占整个照明用电的很大部分。传统的路灯采用高压钠灯，高发光效率的高压钠灯显色指数很低，使得被照射物体颜色失真非常明显；高显色性高压钠灯显色性有所改善，但其发光效率、寿命都有所损失；受限于其寿命较短，因此需要经常进行价格不菲的高空维护作业。一般高压钠灯的配光性能较差，也就是说道路照明时的均匀性不够好，而为了满足道路照明对均匀性的要求一般高压钠灯路灯都采用比灯杆下照度需求大许多的额定功率，从而造成了能源的浪费，因此，开发新型高效、节能、长寿命、显色指数较好、环境友好的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。室外照明领域的巨大市场需求，推动着功率型LED路灯等灯具的技术水平不断进步，成本不断下降，新产品不断出现。

    另一方面，室内照明最常用的产品是白炽灯和荧光灯。白炽灯的发光效率极低，只有十几个流明/瓦，而荧光灯含有汞等有害物质，不利于环保。因此，室内照明对高效环保照明产品的需求更加强烈。尽管目前的白光LED器件在发光效率和环保等特性上已经超过了白炽灯和荧光灯，但是由其构成的灯具的照明效果和品质还没有迅速形成对传统照明光源的优势，其在室内照明的应用才刚刚开始。然而，室内照明巨大的市场需求，必将推动着面向室内照明应用的封装和系统级应用技术的快速发展。

    2、LED显示产业具有巨大的市场潜力

    LED显示产业包括LED显示屏和LED背光源。毋庸置疑，LED显示屏在户外显示屏领域具有绝对优势。对于室内显示来说，目前有多种选择，包括PDP、TFT-LCD、全彩色LED显示屏等。但是，相比之下，PDP和LCD较难实现超大尺寸显示，并且整体效率低、功耗大；而LED室内显示屏一方面能提供高品质的显示且易实现超大尺寸，另一方面有利于节能环保。一般认为，LED显示屏已经是成熟的产业技术。然而，在室内超大屏幕显示领域，要充分发挥LED显示屏高显示品质、大尺寸、节能、环保等优势，普通的大像素间距的LED显示屏远不能满足应用需求。我们认为，在若干关键技术突破的基础上，大到体育场馆、展览馆、大型会场，小46到中小型礼堂、会议室乃至家居场所，都将是LED显示屏施展其特长的舞台。

    另一方面，与CCFL（冷阴极荧光灯）相比，LED背光源具有节能、环保、更完美的运动图像、更宽的色域等优势，将在笔记本电脑、LCD-TV等应用领域大显身手。

    三、未来突破领域：LED封装和应用等中、下游产业

    我们对GaN基LED产业中的国际、国内相关专利进行了系统调研和深入分析，重点选择该领域内的着名企业和核心专利进行统计，通过对欧洲专利局制作的专利文献数据库、德温特世界专利索引（DerwentInnovationsIndex（DII））以及中国国家知识产权局专利检索数据库中相关专利的检索，对美国（US）、日本（JP）、欧洲（EP）以及中国（CN）的3000余份专利进行了统计和分析。

    把检索得到的核心专利进行了分类，首先按产业链分为材料外延和芯片制作、器件封装、应用四个环节，每个环节内部再按技术细分为若干类，对每类的专利数进行了统计。

    可以看出，目前LED产业中的专利大部分集中在上游环节，中、下游部分的专利相对要少很多。这一结果也是和LED技术的发展进程相关的。从二十世纪九十年代初ShujiNakamura研制出GaN基LED以来，大量的研究工作致力于材料外延和芯片制作，从各个细节入手提高GaN基LED的性能。在这个过程中，上游产业技术得到了快速的发展，涌现了大量的专利技术，其中很多还是核心技术，而中、下游产品开发则相对滞后。这样就形成了目前专利技术“上重下轻”的状况。

    然而时至今日，GaN基LED的性能尽管离理论极限还存在一定距离，但已经基本满足了照明的需求。随着上游技术的逐渐成熟，下游市场的逐渐壮大，LED封装和应用方面的问题也逐渐凸显出来。从产品上看，无论是半导体照明灯具还是LED显示模组，都不是简简单单地将LED器件组合在一起形成的。封装和应用环节包含了驱动电路、散热和光学设计等一系列重大的科学技术问题，而这些问题的解决本身就意味着专利技术的产生。

    另一方面，中、下游产业的专利范围比上游产业更加广泛。上游产业的专利技术基本属于半导体材料、芯片制备工艺等相关领域，而中、下游产业更加直接地面向市场，其产品设计与产品的使用对象、使用环境以及使用要求都有着密切的联系，这也更加易催生新的专利。

    从上面的分析可以看出，中、下游技术现有的专利数量相对较少而可挖掘的专利数量非常多，国外大公司在这个领域的专利壁垒尚未构建得像上游领域那样森严。因此，在未来的几年内，各大企业可能将在LED的封装和应用技术上展开专利的争夺，其中应用方面的专利更是重点。而中国申请的专利中，下游产业的比重比上游产业更大，这也从一个侧面反映出国内部分企业在下游技术上已经具备了一定的实力，中国在中、下游技术方面具备比上游技术更大的优势。因此，LED封装和应用等中、下游产业是国内企业最容易取得巨大成果的突破口。

    四、未来上游领域发展趋势：有选择地重点突破，发展自主外延和芯片技术

    当前，国内众多科研机构在材料外延和芯片制作方面从众多细节入手进行了大量的研究工作。而另一方面，虽然近期国内LED外延和芯片企业的产能和技术水平有了一定提升，但总体上看上游许多企业还未真正形成具有自主知识产权的技术路线，一些企业对未来技术的发展方向还比较困惑。

    我们认为，当前中国LED产业在上游领域面临的主要问题还是大部分芯片发光效率不够高，器件的可靠性有待改善。建议集中资源有选择的、在一些已经看得比较清晰的方向上重点突破，以提升我国上游产业的水平。当前国内在上游领域还是应该以提高内、外量子效率为核心，在深入理解GaN基材料物理性质的基础上，研发材料外延和芯片制备技术，提高晶体质量、降低位错密度、优化量子阱结构、控制应力和提高光提取效率，尽快在核心技术上形成自主知识产权。

    此外，国内LED材料外延和芯片产业领域的本土化高层次人才缺乏是制约上游产业健康发展的关键问题之一。LED外延和芯片企业的高层次人才许多是海归人员或从台湾地区聘请，其加入无疑在一定程度上推动了国内上游产业的技术进步，但为了产业的长远健康发展，尽快打造本土化的高层次人才队伍是十分必要的。

    建议建立多层次的人才支撑体系，建立以企业为中心、以高校和研究机构为基础的创新性人才培养机制，通过共建博士后流动站、工程硕士联合培养点等方式，联合培养光学、物理、电子、微电子、材料等专业领域的创新型人才。