泛半导体技术发展现状分析

　　摘要： 通过对过去和现在全球热衷发展的 LED 半导体照明、太阳能电池、平板显示和新型半导体功率器件等泛半导体技术进行分析，在深入了解集成电路产业发展状况之余，放眼一览在半导体技术基础上发展起来的 LED 半导体照明产业、太阳能电池产业、平板显示产业和新型半导体功率器件产业(通称为泛半导体产业)的发展状况。这些泛半导体产业既是集成电路产业的旁系，但又在时时、处处影响着集成电路技术和产业。

　　关键词：泛半导体技术;半导体照明;太阳能电池;平板显示;半导体功率器件

　　1 LED 半导体照明的发展状况及分析

　　自 1990 年代以来，随着半导体发光器件在照明应用领域的不断拓展，LED 照明产业被全球公认为最具发展前景的新兴产业之一。与此同时，全球能源价格普遍高涨，使得具有节能优势的 LED 成为各大厂商投资的新领域，LED 照明市场规模也随之迅速扩大。2016 年全球 LED 照明市场规模达 286 亿美元，LED 照明渗透率为 34%。到 2018 年则可达到 319 亿美元[1]，渗透率为 47%。2020 年将接近 800 亿美元。LED 照明产业因其产业链长、产业附加值高、产业关联度强等特点而受到世界发达国家(地区)的高度关注。自 2009 年年底哥本哈根会议之后，“节能减排”成为世界各国(地区)发展所面对的共同主题，纷纷倡导“节能环保，绿色照明”，从而给LED 照明产业带来了绝佳的发展机遇。为了配合和推动 LED 照明产业的整合与发展，各国(地区)纷纷提供丰富的资源配置和政策支持。例如，美国的“下一代照明计划”、日本的“21 世纪照明计划”、欧盟的“彩虹计划”，以及韩国和中国台湾也都推出了类似的计划，这将促进 LED 照明技术研发和商业化推广提升到国家(地区)重要发展战略的地位[2]。图 1 展示了 LED 照明技术的应用范围。

　　全世界最早的商用发光二极管于 1965 年诞生，制作材料为锗，发红外光，售价为 45 美元。之后，很快又有了 GaAsP 材料制作的 LED。1968 年，LED 技术取得突破性进展，该技术是利用氮掺杂工艺，使 GaAsP 器件的发光效率提升了 10 倍，从 0.1 lm/W 到 1 lm/W。而且光的颜色种类增多，有红光、橙光、黄色光，之后又有了绿色光。1980 年代初 AlGaAs LED 的诞生是一项重大技术突破，发光效率更是提高到 10 lm/ W，再次提升 10 倍，可用于室外信息显示发布及汽车中央高位刹车灯设备。1990 年 AlInGaP 技术又相比 GaAsP 器件性能高出 10 倍[3]。近 20 年时间，各种技术的迅速发展，如材料技术、芯片尺寸等技术飞速发展使得 LED 技术快速提升。日本人中村修二在 1994 年研发出蓝色发光二极管，让人们看到白色 LED 的曙光，并迅速掀起了对 GaN 基 LED 的研究开发热潮。蓝光 LED 加大了大屏幕显示应用。1990 年代后期，在单枚 LED 上通过蓝光激发荧光粉生成白光，制造出第一只白光 LED。自 2015 年以来，白光 LED 产品发光效率达到 150 lm/ W，研究领域更是达到 300 lm/W[3]。

　　在我国，2011 年国家发改委公布了《中国逐步淘汰白炽灯路线图》，其中明确规定我国将在未来 5 年内全面禁止 15W 及以上普通白炽灯的进口和销售。根据测算，我国目前照明用电占全社会用电总量约为 12%，如果将普通白炽灯全部换成 LED 节能灯，则每年可节省电量约为 480 亿 kW•h，相当于减少了 1 680 万吨标准煤的燃烧，减少 4 800 万吨二氧化碳的排放，在节能减排方面显示出巨大的潜力。

　　同时，随着技术的不断改进与成熟，LED 产品成本的下降为我国 LED 照明市场创造了机遇，使得我国 LED 照明产业正在经历一个快速发展的时期。

　　然而，尽管经过近年来的快速发展，我国 LED 照明产业已颇具规模，但是产业大而不强却是不争的事实。同时，LED 照明企业在发展过程中仍然面临诸多困境和挑战，产业链偏短、产品技术含量偏低、高附加值产品稀少、市场渠道狭窄、国际竞争力不强等问题依然普遍存在。

　　在 LED 产业链中，从事低端产品制造的小型企业生存较为困难。而发展良好的大、中企业表现出越来越强的态势，从而形成两极分化。中下游应用企业竞争激烈，企业破产时有发生。封装上市企业近 3 年平均利润从 15% 降至 9%。2015 年 LED 上市企业整体利润下滑，24 家 LED 上市企业平均销售利润为 11.8%，较2014 年下降 0.4%。2015 整体市场环境不利，价格竞争白热化，企业盈利均下滑[3]。 2016 年全球 LED 照明产业发展呈现多元化态势。欧洲的高电价、自有生产组装和产品智能化带动 LED 照明市场发展。北美本土组装兴起，美元强势、政策补助促使需求强劲增长，LED 商业及工程照明迅速发展。日本因领先推广 LED 照明应用，渗透率逐年提升，市场扩展空间有限，仅工业与商业照明较具潜力;中国建筑、工业照明市场需求持续看好，但因供应厂商众多，价格竞争加剧。此外，东南亚等新兴市场照明需求逐年上涨，颇具潜力。

　　随着技术进步推动市场需求增加，2015 年我国半导体照明产业发展总体呈现中高速增长，2016 年 LED 照明产业将由替代向按需照明和超越照明迈进。在国家“十三五”发展规划、《中国制造 2025》及 “互联网+”等国家战略的引导下，我国半导体照明产业 2016 年将朝智能化、信息化、品质化、标准化方向发展，进一步与纳米、量子点、石墨烯等新材料融合，引领整个半导体产业加速发展[1]。

　　2 太阳能电池的发展状况及分析

　　太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前，我国的太阳能电池行业整体出现产能过剩，积极拓展消费领域无疑成为太阳能电池化解过剩产能的重要手段。未来几年将是太阳能电池产能逐步消化的过程。随着技术进步、成本降低和消费领域的拓展，预计到“十三五”后期，过剩的太阳能电池产能将基本解决[4]。

　　目前，在国内光伏组件企业的竞争中，一线组件企业和二线中小企业分化较为严重。截至目前，国内前 10 家光伏组件企业盈利改善明显，而二线中小企业平均产能利用率低下，盈利水平也在平衡线附近。因为电站开发商在采购组件时，对中小企业持续经营及产品质保水平存在疑虑，一般比较青睐于一线组件企业的产品。另外，少数小企业依靠给一线大企业做第三方代工而存活，随着一线企业产能扩张和生产链的延伸，这些小企业将被逐步淘汰。

　　2015 年 6 月，工信部与国家能源局、国家认监委联合印发了《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》，要求多晶硅组件效率不低于 15.5%，单晶硅组件效率不低于 16%。而入选“领跑者计划”的组件，多晶不低于 16.5%，单晶不低于 17%。此项计划有利于我国光伏产业进行技术升级，淘汰落后的过剩产能。 OFweek 行业研究中心高级分析师孙栋栋认为，未来组件制造商的竞争策略可分为低价竞争与高转换效率两个方向，而低价的优势来源于人工成本、土地成本等“软”实力，而比低价更重要的是要提升转换效率这一技术“硬”实力。

　　近年来，我国光伏发电产业在《可再生能源法》及配套政策的支持下快速成长。目前我国已建立了较好的太阳能电池制造产业基础，太阳能电池产能、产量已居全球首位，太阳能电池成本也已形成了国际竞争优势。在太阳能电池制造产业规模化发展的同时，太阳能电池成本也实现了快速下降，使得我国具备了大规模建设光伏电站的条件[5]。截至 2015 年 9 月，国内累计光伏发电装机已达 37.95 GW，其中，光伏电站 31.7 GW，分布式光伏 6.25 GW[5]。

　　3 平板显示技术的发展状况及分析

　　现在每 4 台平板显示器(FPD)中就有 1 台是由我国厂商制造的。不仅是电视机用大型面板，而且智能手机的中小型面板，我国厂商也在飞速崛起。继液晶(LCD)之后，我国厂商对 OLED 也产生了浓厚的兴趣。而且，继电视机和智能手机之后，我国厂商已经出现了开拓车载设备和 VR 终端市场的态势[6]。液晶等现有技术仍将继续进化，但该技术存在着商品化 50 年后即遭淘汰的“生命周期”。TFT 液晶的商品化始于 20 世纪 80 年代，之后经过了成长期，现在处于成熟期。到 2025 年前后，伴随柔性显示器的商品化，TFT 液晶将会步入衰退期。与此同时，OLED 将会取代 TFT 液晶，迎来成熟期[6]。

　　目前涌现的新技术有苹果和三星电子推崇的“微型 LED(Micro LED)”、量子点“QLED”和“印刷电子”3 项。微型 LED 是由微小的 LED 作为像素排列而成的，能实现比 OLED 更高的分辨率和对比度，而且功耗较低，因此苹果公司在 2018 年将会在 Apple Watch(智能手表)上采用这种屏幕，在芯片安装等课题得到解决后，应用范围还将进一步扩大。 QLED 是使用量子点作为如 LED 或 OLED 那样的发光元件。三星电子将其作为电视机显示器的候选技术，目前正在推进开发。该公司认为 QLED 有望解决大型 OLED 的成本、可靠性问题[6]。对于印刷电子，因为已经开始在触摸面板领域应用，所以预计会得到显示器面板领域的采用[6]。

　　4 新型半导体功率器件的发展状况及分析

　　在中国经济的快速发展以及国际 IT 制造业向中国国内转移的形势下，物联网、新能源、节能环保、智能电网、汽车电子及高速铁路等新兴产业将会得到很大的发展。作为现代产业发展的基础，功率半导体器件将在各领域得到更广泛的应用，中国功率半导体市场将持续保持较好的增长态势，市场规模将持续扩大。

　　从目前来看，中国功率半导体器件市场规模发展较快，但总量仍不能满足需求，特别是中高档产品仍大量依赖进口。经过多年的发展，国内厂商在彩电、机箱电源、光源大功率晶体管等个别产品领域的竞争实力已有很大提升，在和国外厂商的竞争中已逐渐占据优势地位，并逐渐挤占国外厂商的市场份额，但在市场份额更大、增长速度更快的高压 MOSFET、IGBT 等高端产品领域仍与国外厂商有较大的差距。

　　美国、欧洲和日本的企业仍然是中国功率器件市场上的主要产品提供商，国内销售的高端功率器件产品仍然由国外厂商所主导。面对良好的市场发展前景和巨大的进口替代市场，对于国内厂商来说，在目前国内市场的竞争格局下，尽快地提高技术水平、提升产品档次已成为生存和发展的必然选择。目前市场主流的功率半导体器件是硅基器件[8]，包括部分 SOI 基高压集成电路。随着以 SiC 和 GaN 为代表的宽禁带半导体材料制备、制造工艺与器件物理的迅速发展，SiC 和 GaN 基的电力电子器件逐渐成为功率半导体器件的重要发展方向。IGBT 在近几年的发展很快，IGBT (绝缘栅双极型晶体管)是由 BJT(双极型晶体管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR(晶闸管)的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600 V 及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域[9]。

　　IGBT 与其他功率器件相比有诸多优点：输入阻抗高、电压控制、电容输入、驱动电流小、控制电路简单、开关损耗小、开关速度快、频率响应好、工作温度高、热稳定性好等，而且不会有二次击穿现象，安全工作区宽。此外，在应用上电路简单，输入与逻辑电路具有兼容性，是近乎理想的开关器件[9]。因此，它发展很快，备受青睐。

　　5 传感器(MEMS)的发展状况及分析

　　传感器是指能感受规定的被测信号(非电量)并按照一定的规律(多指数学规律)转换成可用信号(电量)的器件或装置，通常由敏感元件和转换电路组成。作为模拟人体感觉的 “电五官”，传感器[11]的出现使物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让难以测量的信号变得更易检测。作为高度自动化系统，传感器是现代尖端技术的关键组成部分。因此，传感器技术是当代高新技术着重发展的领域，是各个国家科技进步的核心之一。

　　据不完全统计，目前我国从事传感器研发和生产的企业已经达到 3 000 多家，主要集中在珠江三角洲、长江三角洲地区，并逐渐形成以中心城市(北京、上海、深圳等一线城市)为主的区域空间布局。同时，我国传感器在工业设备、汽车电子、测量通信等产业的需求规模也呈现出快速增长的趋势。其中，传感器应用最多的领域是工业电子产业和自动化生产产业，这两个产业也是电子信息产业中发展最快的行业，如精密测量零件的工艺变量、电子特性和物理特性，以及监视和控制生产过程中的各个参数等。传感器在这些产业中的大量应用，使得我国传感器技术具有巨大的应用和发展潜力。然而我国在研发技术和生产能力上同发达国家还是有一定差距的，主要表现为：产品技术不能满足高端技术产业的需求，品种规格不齐全，甚至严重依赖国外进口(MEMS 传感器、汽车用传感器及专用配套传感器等)。

　　迄今为止，我国传感器行业发展总体规模在逐渐扩大。例如，在汽车工业中，传感器的应用系统包括汽车刹车控制、发动机运行、车辆安全行驶、汽车定位系统及汽车防盗等。综上所述，我国传感器的行业市场是巨大的，也是充满挑战的，我们应加强传感器技术的研究和应用实力，使传感器产业拥有更广泛的发展空间。自改革开放以来，由于科技的发展，使得传感器的制造技术取得了长足的进步，在传感器的设计、可靠性、应用范围等方面有了更高程度的突破与创新。当今传感器技术的研究与发展，特别是基于测量通信和微型智能传感器技术的发展，已成为衡量国家信息化产业的重要标志。我国传感器技术进步主要表现在以下几个方面：建立了国家重点实验室、国家传感技术工程中心等科学研究开发基地;MEMS、MOEMS(微光机电系统)等研究项目成为国家高新技术发展的重点;在“九五”国家重点科技攻关项目中，经过研究人员的开拓创新，在我国，传感器已初步建立了产业市场。相比于其他发达国家，我国传感器的研究起步较晚，在先进技术方面还落后于发达国家;作为新兴产业，传感器市场在一定程度上缺乏管理，导致国内产品缺乏竞争力。综上所述，其主要表现为：一是产业环节分散，有效的发展推进机制尚未建立;二是标准繁杂，统一标准缺失制约应用水平的提升;三是软硬件相似，同领域服务的同质化竞争激烈;四是传感器基础支撑能力较弱，成为物联网发展的瓶颈;五是定制化软硬件市场空间有限，限制产品推广与企业成长;六是信息安全制约大规模应用。

　　由于人类对产业不断地更新，对技术进行创新改革，以及在未知领域不断地探索，从而对未来的科技提出了更高的要求。作为未来科技的核心技术之一，对传感器技术的要求也将不断提高，主要体现在微型化、智能化、较宽的适用范围及低能耗方面，这也是新型传感器的发展总趋势[11]。随着市场应用的推广，我国产业发展将呈现出 4 个方面的态势。

　　一是在技术创新方面，我国在物联网自主技术标准和共性基础能力上将进一步突破，在物联网通用架构、数据与语义、标识和安全等基础技术方面取得进展，在国产传感器产业化生产方面获得提升，传感器与控制器融合、产品制造与内容服务融合的融合创新步伐不断加快。

　　二是在产品应用方面，智能产品种类将继续增多，设备与设备之间的交互连接智能化程度越来越高，有望将现有的星形结构扩展到网络结构，将物联网提升到新高度。企业与市场的利好决定了车联网、智能家居产品及解决方案将大规模上市。

　　三是在企业发展方面，大企业的物联网平台都已基本成型，小企业加入大企业的生态圈，借力大平台态势出现。同时，未来将有更多的企业和团队通过众筹模式参与到产品的研制生产当中，众筹模式有效拉近了消费者与生产者的距离，众筹平台将推出更多物联网潮品。

　　四是在政策扶持方面，政策出台向行业应用偏重，物联网的推进内容将会逐渐向具体领域深入，各种行动计划将成为重点。而在细分行业政策中以主要目标和任务的形式落实物联网应用，将成为物联网政策出台的主要方式。同时，在政策内容中加大力度补齐软硬件自主知识产权短板的态势也将更加明显[12]。

　　参考文献

　　[1] 聚集照明新蓝海应用 剖析UV LED/汽车照明等利基市场[EB/OL].

　　[2] 林中萍.半导体照明产业的发展现状与问题[J]. 中国科技投资,2011-03-05.

　　[3] 中国半导体照明技术产业发展历程及未来展望 _中国电热设备网[EB/OL

　　 [4] 黄鑫,陈振强.太阳能电池何时动力十足[N].经济日报,2015-05-27. [5] 光伏现状_科索科技2015[EB/OL].

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