广东省LED外延发展主要特点与趋势分析.doc

广东省LED外延产业发展的主要特点与趋势分析LED产业链包括上游的外延片制造、中游的芯片制备、下游的封装、测试及照明显示应用等环节。外延片制造在整个LED产业中的技术含量最高，所需投资最大，是产业链中利润较高的环节，同时也是我国LED产业的薄弱环节。为准确把握广东LED外延片产业发展情况，探讨广东LED外延片产业今后发展的方向，本文将从广东LED外延片的产业化、企业、产品、技术等方面分析其发展主要特点，从技术发展路径和区域优势探寻其发展趋势。一、 国内外LED外延产业发展概况外延片处于LED产业链中的上游环节，包括原材料、衬底材料及设备这三大领域。在LED外延片生长、芯片、芯片封装这三个环节中，外延片生长投资要占到70%，外延片成本要占到封装成品的70%。LED原材料包括砷化镓单晶、氮化铝单晶等，它们大部分是IIIV族化合物半导体单晶，生产工艺比较成熟，其他材料还有金属高纯镓。衬底材料是LED照明的基础，也是外延生长的基础，不同的衬底材料需要不同的外延生长技术，并影响到芯片加工和器件封装。因此，衬底材料的技术路线会影响整个产业的技术路线，是各个技术环节的关键。目前，能作为衬底材料包括Al2O3、SiC、Si、GaN、GaAs、ZnO等，但目前商用最广泛的是Al2O3、SiC。外延片生长主要依靠生长工艺和设备。制造外延片的主流方法是采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD），但即使是这种“最经济”的方法，其设备制造难度也非常大。国际上只有德国、美国、英国、日本等少数国家中数量非常有限的企业可以进行商业化生产。原材料衬底材料设备外延片芯片LED封装应用照明显示屏LCD背光上游中游下游图1 LED产业链图（一）全球LED外延产业概况由于经济的全球化，LED产业的发展也在逐步形成国际分工，国际LED产业链企业数量分布梯度明显，产业链上游的外延生长是半导体照明产业技术含量最高、对最终产品品质、成本控制影响最大的环节。外延片材料主要是硅，硅外延片也是当前外延片的主体。世界多晶硅、硅单晶及硅片等外延片制造材料几乎全部为信越（本部在日本，马来西亚、美国、英国）、MEMC（本部在美国，意大利、日本、韩国、马来西亚、台湾）、Wacker（本部在德国，美国、新加坡）、三菱（本部在日本，美国、印度尼西亚）等公司所控制，这四家公司的市场占有率近70%。这些公司除了本部之外，都在其它国家和地区设厂，是跨国生产与经营的公司。LED产业的核心技术之一是外延生长技术，其核心是在MOCVD设备（俗称外延炉）中生长出一层厚度仅有几微米的化合物半导体外延层。MOCVD设备是LED产业生产过程中最重要的设备，其价值占整个产业链（外延片芯片封装和应用）的70%。目前，作为上、中游外延片和芯片技术，国际上有严格的技术壁垒，只有美、日、德等国的少数企业掌握。目前，世界范围内能够生产MOCVD设备的企业，主要有德国爱思强（Aixtron，70%国际市场占有率）、美国维易科（Veeco，20%国际市场占有率）、日本大阳酸素（Sanso，7%国际市场占有率）等。当前，国际上GaN研究和生产最成功的企业是日本日亚公司（Nichia）和丰田合成（Toyota Gosei），均使用自行研发的MOCVD设备。韩国企业在政府的支持下，已通过引进英国Thomas Swan的技术，仿制出MOCVD设备并开始销售。目前，行业内最领先的日本企业对技术严格封锁，其中对GaN材料研究最成功的日本日亚化学和丰田合成（Toyoda Gosei）的MOCVD设备则根本不对外销售，另一家技术比较成熟的日本酸素（Sanso）公司的设备则只限于日本境内出售。图2 世界范围内MOCVD设备制造商市场占有率技术上，日本、美国、德国的公司掌握了目前国际上最先进的高亮度LED照明外延生长技术，并且各有不同的特点，但都利用各自原创性核心专利在世界范围内设立了专利网，仅与GaN相关的专利就有4000多项，美国、日本GaN蓝、绿光LED照明专利有500多项。在外延技术上，目前大量的专利集中在对GaN基LED的讨论，缓冲层的出现使得在衬底材料上的GaN生长质量更加优良。表1 世界LED外延厂商生产情况公司名称生产概况日本Nichia日亚公司GaN基高端蓝、绿、紫及紫外LED外延技术，产量大。日本Toyoda Gosi丰田合成公司GaN基蓝、绿光LED及白光LED产量很大。美国Gree公司以SiC衬底的GaN基外延，蓝、绿LED及白光LED，产量大。美国Lumileds公司GaN基蓝、率LED外延及白光LED，AlGalnP功率LED。德国Osram光电公司欧洲最大的GaN基蓝、率LED外延及白光LED的厂商。南韩首尔半导体Seoul SemiconductorGaN基蓝、绿光LED，目前技术指标较高。中国台湾晶元光电合并后的新晶电在GaN基蓝、绿光外延和四元素AlGalnP的外延，月产能为世界第一。资料来源：中国机电数据网整理。表2 世界各厂商对LED外延关键环节的控制指标主要厂商MOCVD设备AixtronVEECO日本酸素、日亚公司（Nichia）、丰田合成（Toyota Gosei）原材料基板GaAS日立电线、住友电气、三菱化学、同和矿业、信越半导体、美国AXT 等公司SapphireKyocera、BICRON、SHINKOSHA、Honeywell、晶向等公司有机金属Shipley、Akzo Nobel、Epichem、Sumitomo 等公司荧光粉根本特殊化学(Nenoto)、化成Optonix、南帝化工、飞利浦等公司Epoxy宜加、义典、Epifine(Japan)、Hysol (USA)、Nitto(Japan) 等公司资料来源：中国机电数据网整理。（二）中国大陆地区LED外延产业发展概况经过近几年的发展，我国LED基本形成了比较完整的产业链，但在上游外延及其关键设备方面还较为薄弱，特别是以MOCVD为代表的外延生长设备还处于研发试制阶段。近年来，我国外延片生产能力不断提高，产量以年均30%的速率增长。据LED inside统计，2009年我国生产的外延片数量达到400亿片左右，比2008年增长33%，其中用于超高亮度LED的约占1/3。图3 2006-2009年我国外延片生产情况在外延片生产设备上，我国MOCVD设备基本上是全进口的，主要厂商为美国Veeco公司和德国Aixtron公司两家。根据国家半导体照明工程研发及产业联盟的调查统计，2009年，我国外延芯片设备增加较快，国内MOCVD拥有量超过130台，比2008年增加30台左右，其中已经安装的生产型GaN MOCVD超过100台，生产型四元系MOCVD 30台左右，国内科研院所的研究型设备也有所增加。图4 2006-2009年我国拥有MOCVD设备情况在技术上，我国在外延的生长环节上取得了较大的成绩，但与世界一流水平还有较大的差距。近几年，我国政府和相关研究机构高度重视LED核心技术的开发，在外延生长上取得了较大的进展，如在不同衬底外延生长GaN材料上，已开发出图形化衬底外延、非极性或半极性外延、衬底转移、激光剥离、共晶焊接、ITO电极、表面粗化和光子晶体等；在提高内量子效率和外量子效率方面，已研发出AlGaN深紫外(260nm400nm)发光二极管，还研发出1W的LED蓝光芯片，做成白光的LED发光效率超过80lm/W，并研制出四元系AlGaInP红光功率LED器件，发光效率约40lm/W；南昌大学研制出了有自主知识产权的在硅衬底上生长GaN，并做出蓝、绿LED芯片，现已产业化；中科院半导体所和中国电子科技集团公司第48研究所分别研制出3片机和6片机样机，并达到国外先进水平。但是，在有机金属源、高纯NH3和衬底材料方面，我国以进口为主；在MOCVD外延设备方面，我国仍处于研发阶段，企业生产用的MOCVD设备全部依靠进口，主要来自德国Aixtron公司和美国Veeco公司。从外延片技术水平上看，我国与日本、美国等技术先进国家相比，差距约为5年，而产业化水平的差距超过5年。在研发方面，我国最早从事MOCVD设备研制单位有中科院长春物理所、西安光机所、中科院半导体所、中国电子科技集团第48研究所、南昌大学、青岛杰生电器有限公司等。在外延片生产领域，我国内LED外延的主要企业有：江西晶能光电、北京长电智源光电、厦门三安、大连路美、扬州华夏集成、杭州士蓝明芯、上海蓝光、深圳方大、深圳世纪晶源、广州晶科、广州普光、东莞洲磊、江门真明丽、武汉迪源、江西联创、上海蓝宝、山东华光等。其中，生产硅外延片的生产单位有四佳峨眉半导体材料厂、上海硅材料厂、信息产业部电子55所、华晶公司等。我国外延片生产企业整体上产量规模一般在50万片左右，相比于国外企业还属于小公司。在技术研发领域，企业投入资金相对较少，部分企业技术研发依赖风险投资。如晶能光电江西有限公司专注于研发和制造硅衬底GaN 基高亮度LED(发光二极管)前端技术，获得了1000万美元的风险投资，这笔投资来自金沙江创业投资基金以及美国MayfieldFund和AsiaVestPartners。在区域分布上，我国外延产业主要集中在闽三角地区、环渤海湾地区和珠三角地区。闽三角地区在上游投资规模全国最大，外延生产企业规模较大，以台湾企业转移较多。如厦门三安、厦门乾照等企业。环渤海湾地区在外延上的研发力量较强，研发机构较集中，拥有外延国内最好技术。尤其是北京，研发的优势明显；大连具有轻工业和电子坚实的产业基础和“东北亚经济圈的中心”的经济区位优势。主要的研发机构和企业有：中科院半导体所、中科院物理所、长春光机所、清华、北大、北工大、大连路美等。珠三角地区于2010年上半年引进了80多台MOCVD设备，将成为全国LED外延片规模最大的生产基地。二、 广东LED外延产业主要特点近年来，广东LED产业发展迅猛，产业产值平均增速40%以上，形成了从衬底材料、外延片、芯片、封装到应用较完整的产业链。作为技术含量最高的LED外延片发展主要呈现以下特点：（一）产业规模偏小，处于LED产业链中的薄弱环节广东在外延环节，虽然进入较早，但始终没有形成产业规模。企业生产出来的外延片很多是供自身制备芯片，企业中制备外延与制备芯片密不可分。据LED inside统计，2009年，广东外延片的产量约为30亿片，约占全国总产量的7.5%，产业规模偏小；外延片总产值大约为5亿元，约占全省LED产业产值的0.5%，与广东近千亿的LED产业规模很不匹配，处于产业链中的薄弱环节。图5 广东省LED外延产值在产业链中所占比例（二）企业数量位居全国前列，主要分布在珠三角地区目前，广东外延生产企业约有10家，其中，深圳3家，广州2家，佛山2家，东莞2家，江门1家，分别是：深圳方大国科、深圳世纪晶源、深圳奥伦德、广州普光、广州晶科、佛山昭信、佛山旭瑞光电、东莞洲磊、东莞中稼半导体、江门真明丽，约占全国外延生产企业的13%，数量位居全国前列。图6 广东LED外延生产企业区域分布（三）政府重视外延设备投入，拥有MOCVD全国最多2009年以来，广东省把LED照明产业作为战略性新兴产业来发展，注重LED产业的上游环节的投入，各地纷纷响应省政府的号召，加大LED的投入。如江门市出台关于加快建设广东省战略性新兴产业（江门绿色光源）基地暂行优惠办法，对购置LED外延片生产用MOCVD设备给予补贴，如购置蓝绿光MOCVD 31片至44片机补贴资金1000万元/台。这大大促进企业引进MOCVD的积极性。2010年上半年，江门市已引进MOCVD80台，其中，真明丽集团购进60台MOCVD设备生产LED蓝、绿光外延芯片；深圳奥伦德光电有限公司也投资9亿元购进20台MOCVD设备进驻江门高新区。至此，江门市已落实MOCVD设备80台，成为全国LED外延芯片规模最大的生产基地之一，稳居全省乃至全国第一。截止2010年6月，广东省拥有MOCVD外延生产设备90多台，约占全国MOCVD设备的40%。（四）MOCVD设备处于研发阶段，设备仍以进口为主近年来，广东省非常重视MOCVD外延生产设备的研发，加强产学研合作。如在政府的推动下，广东昭信光电科技有限公司与华中科技大学合作，投资5亿元引入半导体照明芯片设备(MOCVD)项目，这标志着国内首家、全球第4家量产型MOCVD核心设备制造企业即将在佛山诞生。然而，目前广东省的研发支撑还比较薄弱，从事MOCVD设备研发机构不多，企业生产所用的MOCVD设备仍然依靠进口，如江门于2010年引进的80台MOCVD设备主要来自德国Aixtron公司和美国Veeco公司。三、 广东LED外延产业发展趋势随着政府对LED产业的重视，广东将成为全国LED外延规模最大的生产基地，今后外延片将呈现爆发式增长，在行业内或将催生一两家MOCVD设备制造企业，MOCVD设备研制将向大型化、专用性方向发展，外延片的技术攻关主要包括提高外量子效率、降低结温和有效散热的问题。（一）外延片将呈现爆发式增长随着广东省将LED产业作为战略性新兴产业来发展，无论是从省还是到地方，都非常注重LED上游的投入，以求突破LED产业的发展瓶颈问题。目前，广东省拥有MOCVD外延生长设备90多台，其中2010年新增80台，设备数量呈现爆发式增长，一旦这些设备正式运行，广东省的外延片产量将呈现爆发式增长。因此，广东省将成为全国LED外延片规模最大的生产基地。（二）或将催生一两家MOCVD设备制造企业近年来，广东省部分LED生产企业已体会到LED产业发展的瓶颈，并开始加快衬底材料、MOCVD外延片生产设备等上游环节的研发，以求抢占行业制高点，这使得广东省或将催生一两家MOCVD设备制造企业。如广东昭信光电科技有限公司与华中科技大学合作，投资5亿元引入半导体照明芯片设备(MOCVD)项目，这标志着国内首家、全球第4家量产型MOCVD核心设备制造企业即将在广东佛山诞生。目前，昭信光电公司已完成项目全部技术资料，正准备进行样机试制及产业化。样机预计一年内可以试运行，并可望在未来5年内实现10至30亿元的产值。该设备一旦实现产业化，可令国内半导体照明产业真正掌握技术主动权和制高点，使LED芯