半导体材料在照明技术领域的应用

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　　我国LED技术相对落后，国内企业专利申请量低，因此，国内企业应当加大对半导体照明技术的研发投入，及时申请国内外专利。同时，要加强对国外竞争对手的技术了解和跟踪，特别是对已公开专利进行分析，及时开展二次开发和技术再创新。
　　
　　半导体照明技术涉及衬底技术、外延技术、芯片结构与制作技术、封装技术和应用技术5个技术分支以及与其相关的封装材料和荧光材料领域。目前，半导体材料在照明技术领域的应用主要是发光二极管(LED)照明技术。发光二极管(LED)是近年来迅速崛起的半导体发光器件。
　　1993年以前，半导体照明技术发展缓慢。随着1993年日本日亚公司高亮度、大功率蓝光发光二极管的研发成功，半导体照明产业进入了高速发展期。由于受发光亮度和制造成本的限制，白光LED目前还不能满足照明市场的需求。半导体照明技术重新经历了从封装到衬底、外延和芯片结构，然后再回到封装的发展过程。具体发展历程如下。
　　
　　1、单色光LED的种类及其发展历史
　　最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初，当时所用的材料是GaAsP，发红光：20世纪70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光、黄光和橙光；20世纪80年代初，出现了GaAIAs的LED光源；20世纪90年代初，发红光、黄光的GaAIInP和发绿、蓝光的GalnN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。
　　
　　
　　2、白光LED的开发
　　1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成的。GaN芯片发蓝光，高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光。LED基片发出的部分蓝光被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到白光。
　　
　　3、国内白光LED产业与超高亮度LED现状
　　国内LED产业的发展从20世纪70年代开始，主要以GaP、GaAIAs材料为主，开展气相、液相外延生长、芯片制造和后工序环氧封装，做出了以GaP为主的红、橙、黄、绿色LED，并开发出GaAIAs高亮度红，橙色LED。
　　在红外LED方面，有中国电子科技集团公司第13所、上海冶金所、中国电子科技集团公司第44所等单位进行研究开发，主要是以GaAs和GaAIAs材料为主，开发出多种近红外LED。
　　超高亮度LED主要指AIGalnP的红、橙、黄色LED，GaN基蓝、绿、紫和紫外光LED。到目前为止，国内四元系AIGalnP的红、橙、黄色芯片已经可以批量生产，估计每年可提供8～10亿只；GaN基蓝、绿色芯片已可以小批量生产，估计每年可提供3亿只左右；白光LED(小功率)封装产品已批量生产，芯片以进口为主，估计年产约为5～8亿只。
　　MOCVD系统和封装设备是我国发展半导体照明产业的重要瓶颈之一。目前，中科院半导体所、中国电子科技集团第48研究所和南昌大学等单位已经在政府有关计划的支持下开始MOCVD系统的开发，并取得了阶段性成果；中国电子科技集团第45研究所等单位也在着手后封装设备(如粘片机等)的投资开发及产业化。
　　我国台湾省是世界上开发生产各类LED器件的主要地区之一。继国联光电研制成GB大功率AIGalnP LED之后，光鼎电子也成功地开发了白光与各种色光的功率型LED器件，并投入了批量生产。这类器件在不附加额外热时，可通过150mA的工作电流，红、黄、蓝、绿光的光通量分别为4-61m与2-41m。
　　
　　LED专利现状分析
　　
　　1、行业发展前景分析
　　从图1可以看出，自2000年以来，国内发光二极管专利数量呈逐年递增趋势，并且专利量上升速度明显加快，说明国内LED产业迅速发展，市场不断扩大。各相关企业也在积极申请专利保护，最大限度地保护自身利益，为企业的进一步拓展奠定牢固的基础。
　　
　　2、技术构成(国际专利分类IPC)分析
　　国际专利分类法是一种国际统一化、标准化的管理和使用专利文献的分类方法。它是国际间长期合作的结果，也是当今专利制度趋向国际化和统一化的必然产物。目前，世界上绝大多数国家都采用了国际专利分类法。对IPC的统计分析，将能完整、系统、科学地揭示专利技术的构成和发展趋势。
　　国内发光二极管专利主要集中在如下技术领域：制造或处理发光二极管或其部件的方法或设备(H01L33/00)、有机发光二极管(H01 L51/50)、将发光二极管用于光源(F21S4/00)、将发光二极管用于指示装置(G09F9/33)以及制造电致发光光源的电路控制(H05837/02)等等。
　　
　　从图2中可以看出，该技术目前主要集中在H01L33/00分类，即制造或处理发光二极管或其部件的方法或设备。而将发光二极管用于光源及指示装置以及LED电路控制等领域也有相当数量的申请。
　　
　　3、国外主要LED企业专利统计
　　目前，全球初步形成以亚洲、北美、欧洲三大区域为中心的LED产业格局，主要表现在以日本日亚(nichia)、丰田合成(toyoda gosei)、美国Cree、Lumileds和欧洲Osram为专利核心的技术竞争格局。这五大企业之间通过交互授权避免专利纠纷，其他企业则通过获得这些企业的单边授权避免专利纠纷。五大企业各具优势，但都专注于各自领域的高端市场，其他企业则角逐中高端、中低端乃至低端市场，构成该产业的外围格局。
　　出于经济利益和技术垄断的考虑，以及国内LED行业潜在的巨大市场前景，使得国外主要LED生产企业纷纷在中国申请专利保护。从图3可以看出，国外企业获得授权的专利数目已经相当可观。它们将以此开拓我国国内市场，并同时对我国国内的LED企业进行技术包围和专利封锁，来获取自身的最大利益。
　　
　　发展状态及前景
　　
　　LED具有体积小、效率高、寿命长、环保、节能等优点。目前，LED，特别是高亮度LED已经广泛用于普通照明、车灯、景观灯、路灯照明、液晶板背光源、手机背光源，数码相机闪光灯等领域。
　　在市场表现方面，其中，手机上的应用占到了总市场份额的52％：汽车照明和展示照明分别占到14％，而普通照明只占6％。从LED照明的发展趋势来看，最终普通照明必将成为LED应用的主流。因此，我们可以认为，目前的LED产业仅仅是初级阶段，还有巨大的发展潜力。许多研究显示，21世纪的前10年，产业将会继续往以下方面迅速发展。
　　(1)高亮度LED和超高亮度LED市场规模所占的比重不断增加，市场增长 速度超过了LED整体市场的增长速度。2006年，全球高亮度LED的产值超过了42亿美元。全球企业会在超高亮度、全彩色技术方面继续扩大投资，提高产量，行业从业人员进一步增加。我国将成为世界LED的主要生产地，预计产量将占到世界的六成以上；超高亮度LED会以30％的速度增长，而传统的LED也会有5％～10％的增长速度。
　　(2)截至2006年，几乎所有颜色LED的发光效率都已经超过了151m/W的普通白炽灯的发光效率。相信伴随着技术的进一步发展、发光效率的提高和单个LED成本的降低，LED在普通照明领域的应用也会进一步扩大，并在很多方面取代白炽灯。目前，在我国的一些城市，比如，浙江的宁波，已经部分实现了LED路灯照明。
　　
　　(3)世界光电子产业的发展推动LED应用领域的变化和发展。随着产业的发展，会有更多的资金投向LED的研究和生产。美国能源部2006年3月发布的固体照明研究和投资公文显示，2006财政年度，美国国会用于固体照明研发的拨款达到了1800万美元。现有超高亮度、蓝色、绿色LED的技术为少数企业垄断的局面将会被打破，产品成本会大幅度下降，从而促进市场的再开发、应用的再拓展。
　　总之，LED产业的全方位发展，必将使LED在新的照明革命中脱颖而出，取代传统的白炽灯，成为未来照明的主流光源。全彩色照明交通信号灯，普通白光照明将成为新的业务增长点。
　　未来LED产业竞争将取决于两方面：一是技术，包括提高发光效率、降低成本以及提高器件功率等方面；二是规模，一方面是由于规模大可以降低成本，市场议价能力强：另～方面，对规模大的企业而言。在对一致性要求比较高的应用领域(如液晶面板背光领域)，可以将同一外延片上制作出来的不符合某一市场要求的部分芯片产品调配至另一市场，这样，企业总的产出效率能够得到充分提高。就技术而言，LED具有技术成长瓶颈高、学习门坎低、初始投资额不大、资本门槛不高的特点。为了保持技术竞争力，降低技术外泄风险，专利为最好的保护伞，而专利屏障，则是技术领先的企业规避竞争的主要手段。因此，专利成为LED产业发展过程中不能回避的重要手段。随着时间的流逝，当初各企业所建构的专利网，也逐渐面临薄弱化的情况。在跨越专利期限之后，这些技术将会成为新兴业者生产LED的捷径。
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