將與LED照明競(jìng)爭(zhēng)的三大發(fā)光新材料

 雖然從LED主要技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)還有很大的推進(jìn)空間，還需在初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上，加大對(duì)LED的研發(fā)力度，掌握LED核心技術(shù)，突破國(guó)外專利制約，進(jìn)一步拓展國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體照明市場(chǎng)，為人們提供更加節(jié)能、環(huán)保、健康、舒適的照明環(huán)境?，F(xiàn)對(duì)于目前芯片領(lǐng)域的發(fā)展概況及未來(lái)與LED進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的幾種新型材料加以總結(jié)。

1.LED襯底簡(jiǎn)況

目前用于LED產(chǎn)業(yè)化的襯底主要有藍(lán)寶石(Al2O3)、SiC、Si和GaN。

Cree用SiC襯底，全球很多企業(yè)正在開發(fā)Si襯底，東芝曾經(jīng)宣布投產(chǎn)8″Si襯底。其余的企業(yè)以藍(lán)寶石為主，全球生產(chǎn)藍(lán)寶石襯底有130多家，其中80多家是近兩年加入的。目前以2″和4″襯底片為主，幾年后將以6″為主，會(huì)達(dá)到50%以上。有人預(yù)測(cè)2016年藍(lán)寶石、Si和GaN這三類襯底將各占三分之一。近幾年全球正在研究開發(fā)很多LED新襯底，并取得突破性進(jìn)展。

中國(guó)開發(fā)、生產(chǎn)藍(lán)寶石襯底的企業(yè)50多家，其中已投產(chǎn)20多家，我國(guó)生產(chǎn)能力已超過(guò)1億片/年(以2″計(jì)算)，超過(guò)全球的需求量，而且藍(lán)寶石企業(yè)直接生產(chǎn)PSS襯底的不多，目前藍(lán)寶石國(guó)產(chǎn)化約50%，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力較差，走向轉(zhuǎn)型、整合、兼并是必然的。另外，南昌晶能采用Si襯底量產(chǎn)LED，國(guó)內(nèi)還有很多研究所、企業(yè)正在開發(fā)同質(zhì)襯底、復(fù)合襯底和SiC襯底，并取得很大成果。

2.LED外延及芯片產(chǎn)業(yè)簡(jiǎn)況

全球從事LED外延及芯片研發(fā)生產(chǎn)單位約169家(另有報(bào)導(dǎo)為142家)，共有MOCVD設(shè)備約3000臺(tái)(另有報(bào)導(dǎo)為2800臺(tái))，其生產(chǎn)能力以4″計(jì)算為200萬(wàn)片/月，其中比例大約為：中國(guó)25.8%、臺(tái)灣21.8%、日本19.2%、韓國(guó)17.3%、美國(guó)11%、歐洲2.8%。

中國(guó)LED外延及芯片企業(yè)50多家，其中投產(chǎn)的30多家，開工率為50~60%，產(chǎn)量超過(guò)1000億只(含小芯片和四元系芯片)，產(chǎn)值約84億元(另有報(bào)導(dǎo)為105億元)。由于國(guó)內(nèi)上游企業(yè)過(guò)多，大部分企業(yè)規(guī)模偏小，走向整合、兼并是必然的。另外國(guó)內(nèi)有十幾二十家企業(yè)正在研發(fā)制造MOCVD設(shè)備，有的已在上游企業(yè)試用或正式投產(chǎn)。還有外延用的MO源：三甲基(鎵、銦、鋁、銻)、三乙基(鎵、銻)、二甲基鋅、二乙基(鋅、碲)等國(guó)產(chǎn)化率已達(dá)60%。

3.LED主要技術(shù)指標(biāo)

日亞、飛利浦、歐司郎等幾個(gè)大企業(yè)實(shí)驗(yàn)室水平，光效均超過(guò)200lm/w，Cree公司實(shí)驗(yàn)室光效已超過(guò)276 lm/w。首爾半導(dǎo)體“npolo”LED，聲稱在1mm2芯片上要實(shí)現(xiàn)1000光通量，三菱化學(xué)同樣提出達(dá)1000lm光通量，稱為L(zhǎng)ED光源的終極目標(biāo)。日本田村制作提出在2mm見方芯片要實(shí)現(xiàn)2000~3000 lm光通量。美國(guó)加洲大學(xué)圣巴巴拉分校提出光效要達(dá)到300 lm/w。美國(guó)Soraa公司采用GaN-on-GaN技術(shù)制作LED替代燈，使每盞燈用一只LED器件，譜寫了LED技術(shù)新篇章，即LED2.0版。美國(guó)SSL計(jì)劃修定中提出LED光效產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)266 lm/w為終極目標(biāo)。目前全球LED產(chǎn)業(yè)化光效水平為120~150 lm/w。

4.發(fā)光新材料

發(fā)光新材料將來(lái)有可能進(jìn)入照明領(lǐng)域，與LED照明競(jìng)爭(zhēng)。

(1)有機(jī)發(fā)光二極管

目前OLED有效的光效一般在30~60 lm/w，將在特種照明領(lǐng)域獲得應(yīng)用。據(jù)國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)：OLED照明市場(chǎng)于2021年將達(dá)400多億美元，另一機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)于2018年達(dá)400億美元。現(xiàn)階段主要問(wèn)題除某些技術(shù)外，價(jià)格偏高，但前景是樂(lè)觀的。

(2)量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)

量子點(diǎn)(Quantun Dot簡(jiǎn)寫QD)是用納米技術(shù)制作的，QD顆粒一般在2~12nm之間，量子點(diǎn)發(fā)光體由發(fā)光核、半導(dǎo)體殼、有機(jī)配位體組成，在電或短波光的激發(fā)下會(huì)發(fā)射不同波長(zhǎng)的光，接近連續(xù)可見光光譜，例如CdSe(硒化鎘)當(dāng)顆粒2.1nm時(shí)發(fā)藍(lán)光，當(dāng)5nm時(shí)發(fā)射綠光，接近10nm時(shí)發(fā)射接近紅光，其優(yōu)點(diǎn)：發(fā)光穩(wěn)定、內(nèi)量子效率高。

目前量子點(diǎn)發(fā)光效率接近OLED水平，QD發(fā)光具有廣泛應(yīng)用，除了在顯示及照明領(lǐng)域外，還可應(yīng)用于藍(lán)光激光、光感測(cè)元件、單電子晶體管、記憶儲(chǔ)存……，現(xiàn)階段QD主要在顯示應(yīng)用上取得顯著效果，將最有希望替代OLED。在照明方面與LED結(jié)合產(chǎn)生色彩豐富，十分明亮的暖白光。

(3)超薄非結(jié)晶電介層發(fā)光芯片

由美國(guó)德洲農(nóng)機(jī)大學(xué)化學(xué)工程系開發(fā)的一種發(fā)光芯片、采用在硅晶園上進(jìn)行室溫濺射沉積方法，制成電介質(zhì)膜，其中有納米晶層，可提升發(fā)光密度，在工藝中可與硅IC兼容，工藝簡(jiǎn)單，是個(gè)新的納米發(fā)光材料技術(shù)。雖然目前發(fā)光壽命較短，但將來(lái)會(huì)更長(zhǎng)。

上述幾種發(fā)光新材料，OLED在照明領(lǐng)域的份額遲早提升，而且會(huì)在特殊照明領(lǐng)域中占有一定比例。至于量子點(diǎn)及超薄介質(zhì)中的發(fā)光層均為納米級(jí)量子層，是納米發(fā)光新材料。應(yīng)要高度重視納米發(fā)光技術(shù)的研究和開發(fā)，將來(lái)有可能進(jìn)入照明領(lǐng)域，并替代LED照明產(chǎn)品。