泛半導體技術發展現狀分析

　　摘要： 通過對過去和現在全球熱衷發展的 LED 半導體照明、太陽能電池、平板顯示和新型半導體功率器件等泛半導體技術進行分析，在深入了解集成電路產業發展狀況之余，放眼一覽在半導體技術基礎上發展起來的 LED 半導體照明產業、太陽能電池產業、平板顯示產業和新型半導體功率器件產業(通稱為泛半導體產業)的發展狀況。這些泛半導體產業既是集成電路產業的旁系，但又在時時、處處影響著集成電路技術和產業。

　　關鍵詞：泛半導體技術;半導體照明;太陽能電池;平板顯示;半導體功率器件

　　1 LED 半導體照明的發展狀況及分析

　　自 1990 年代以來，隨著半導體發光器件在照明應用領域的不斷拓展，LED 照明產業被全球公認為最具發展前景的新興產業之一。與此同時，全球能源價格普遍高漲，使得具有節能優勢的 LED 成為各大廠商投資的新領域，LED 照明市場規模也隨之迅速擴大。2016 年全球 LED 照明市場規模達 286 億美元，LED 照明滲透率為 34%。到 2018 年則可達到 319 億美元[1]，滲透率為 47%。2020 年將接近 800 億美元。LED 照明產業因其產業鏈長、產業附加值高、產業關聯度強等特點而受到世界發達國家(地區)的高度關注。自 2009 年年底哥本哈根會議之后，“節能減排”成為世界各國(地區)發展所面對的共同主題，紛紛倡導“節能環保，綠色照明”，從而給LED 照明產業帶來了絕佳的發展機遇。為了配合和推動 LED 照明產業的整合與發展，各國(地區)紛紛提供豐富的資源配置和政策支持。例如，美國的“下一代照明計劃”、日本的“21 世紀照明計劃”、歐盟的“彩虹計劃”，以及韓國和中國臺灣也都推出了類似的計劃，這將促進 LED 照明技術研發和商業化推廣提升到國家(地區)重要發展戰略的地位[2]。圖 1 展示了 LED 照明技術的應用范圍。

　　全世界最早的商用發光二極管于 1965 年誕生，制作材料為鍺，發紅外光，售價為 45 美元。之后，很快又有了 GaAsP 材料制作的 LED。1968 年，LED 技術取得突破性進展，該技術是利用氮摻雜工藝，使 GaAsP 器件的發光效率提升了 10 倍，從 0.1 lm/W 到 1 lm/W。而且光的顏色種類增多，有紅光、橙光、黃色光，之后又有了綠色光。1980 年代初 AlGaAs LED 的誕生是一項重大技術突破，發光效率更是提高到 10 lm/ W，再次提升 10 倍，可用于室外信息顯示發布及汽車中央高位剎車燈設備。1990 年 AlInGaP 技術又相比 GaAsP 器件性能高出 10 倍[3]。近 20 年時間，各種技術的迅速發展，如材料技術、芯片尺寸等技術飛速發展使得 LED 技術快速提升。日本人中村修二在 1994 年研發出藍色發光二極管，讓人們看到白色 LED 的曙光，并迅速掀起了對 GaN 基 LED 的研究開發熱潮。藍光 LED 加大了大屏幕顯示應用。1990 年代后期，在單枚 LED 上通過藍光激發熒光粉生成白光，制造出第一只白光 LED。自 2015 年以來，白光 LED 產品發光效率達到 150 lm/ W，研究領域更是達到 300 lm/W[3]。

　　在我國，2011 年國家發改委公布了《中國逐步淘汰白熾燈路線圖》，其中明確規定我國將在未來 5 年內全面禁止 15W 及以上普通白熾燈的進口和銷售。根據測算，我國目前照明用電占全社會用電總量約為 12%，如果將普通白熾燈全部換成 LED 節能燈，則每年可節省電量約為 480 億 kW•h，相當于減少了 1 680 萬噸標準煤的燃燒，減少 4 800 萬噸二氧化碳的排放，在節能減排方面顯示出巨大的潛力。

　　同時，隨著技術的不斷改進與成熟，LED 產品成本的下降為我國 LED 照明市場創造了機遇，使得我國 LED 照明產業正在經歷一個快速發展的時期。

　　然而，盡管經過近年來的快速發展，我國 LED 照明產業已頗具規模，但是產業大而不強卻是不爭的事實。同時，LED 照明企業在發展過程中仍然面臨諸多困境和挑戰，產業鏈偏短、產品技術含量偏低、高附加值產品稀少、市場渠道狹窄、國際競爭力不強等問題依然普遍存在。

　　在 LED 產業鏈中，從事低端產品制造的小型企業生存較為困難。而發展良好的大、中企業表現出越來越強的態勢，從而形成兩極分化。中下游應用企業競爭激烈，企業破產時有發生。封裝上市企業近 3 年平均利潤從 15% 降至 9%。2015 年 LED 上市企業整體利潤下滑，24 家 LED 上市企業平均銷售利潤為 11.8%，較2014 年下降 0.4%。2015 整體市場環境不利，價格競爭白熱化，企業盈利均下滑[3]。 2016 年全球 LED 照明產業發展呈現多元化態勢。歐洲的高電價、自有生產組裝和產品智能化帶動 LED 照明市場發展。北美本土組裝興起，美元強勢、政策補助促使需求強勁增長，LED 商業及工程照明迅速發展。日本因領先推廣 LED 照明應用，滲透率逐年提升，市場擴展空間有限，僅工業與商業照明較具潛力;中國建筑、工業照明市場需求持續看好，但因供應廠商眾多，價格競爭加劇。此外，東南亞等新興市場照明需求逐年上漲，頗具潛力。

　　隨著技術進步推動市場需求增加，2015 年我國半導體照明產業發展總體呈現中高速增長，2016 年 LED 照明產業將由替代向按需照明和超越照明邁進。在國家“十三五”發展規劃、《中國制造 2025》及 “互聯網+”等國家戰略的引導下，我國半導體照明產業 2016 年將朝智能化、信息化、品質化、標準化方向發展，進一步與納米、量子點、石墨烯等新材料融合，引領整個半導體產業加速發展[1]。

　　2 太陽能電池的發展狀況及分析

　　太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。目前，我國的太陽能電池行業整體出現產能過剩，積極拓展消費領域無疑成為太陽能電池化解過剩產能的重要手段。未來幾年將是太陽能電池產能逐步消化的過程。隨著技術進步、成本降低和消費領域的拓展，預計到“十三五”后期，過剩的太陽能電池產能將基本解決[4]。

　　目前，在國內光伏組件企業的競爭中，一線組件企業和二線中小企業分化較為嚴重。截至目前，國內前 10 家光伏組件企業盈利改善明顯，而二線中小企業平均產能利用率低下，盈利水平也在平衡線附近。因為電站開發商在采購組件時，對中小企業持續經營及產品質保水平存在疑慮，一般比較青睞于一線組件企業的產品。另外，少數小企業依靠給一線大企業做第三方代工而存活，隨著一線企業產能擴張和生產鏈的延伸，這些小企業將被逐步淘汰。

　　2015 年 6 月，工信部與國家能源局、國家認監委聯合印發了《關于促進先進光伏技術產品應用和產業升級的意見》，要求多晶硅組件效率不低于 15.5%，單晶硅組件效率不低于 16%。而入選“領跑者計劃”的組件，多晶不低于 16.5%，單晶不低于 17%。此項計劃有利于我國光伏產業進行技術升級，淘汰落后的過剩產能。 OFweek 行業研究中心高級分析師孫棟棟認為，未來組件制造商的競爭策略可分為低價競爭與高轉換效率兩個方向，而低價的優勢來源于人工成本、土地成本等“軟”實力，而比低價更重要的是要提升轉換效率這一技術“硬”實力。

　　近年來，我國光伏發電產業在《可再生能源法》及配套政策的支持下快速成長。目前我國已建立了較好的太陽能電池制造產業基礎，太陽能電池產能、產量已居全球首位，太陽能電池成本也已形成了國際競爭優勢。在太陽能電池制造產業規模化發展的同時，太陽能電池成本也實現了快速下降，使得我國具備了大規模建設光伏電站的條件[5]。截至 2015 年 9 月，國內累計光伏發電裝機已達 37.95 GW，其中，光伏電站 31.7 GW，分布式光伏 6.25 GW[5]。

　　3 平板顯示技術的發展狀況及分析

　　現在每 4 臺平板顯示器(FPD)中就有 1 臺是由我國廠商制造的。不僅是電視機用大型面板，而且智能手機的中小型面板，我國廠商也在飛速崛起。繼液晶(LCD)之后，我國廠商對 OLED 也產生了濃厚的興趣。而且，繼電視機和智能手機之后，我國廠商已經出現了開拓車載設備和 VR 終端市場的態勢[6]。液晶等現有技術仍將繼續進化，但該技術存在著商品化 50 年后即遭淘汰的“生命周期”。TFT 液晶的商品化始于 20 世紀 80 年代，之后經過了成長期，現在處于成熟期。到 2025 年前后，伴隨柔性顯示器的商品化，TFT 液晶將會步入衰退期。與此同時，OLED 將會取代 TFT 液晶，迎來成熟期[6]。

　　目前涌現的新技術有蘋果和三星電子推崇的“微型 LED(Micro LED)”、量子點“QLED”和“印刷電子”3 項。微型 LED 是由微小的 LED 作為像素排列而成的，能實現比 OLED 更高的分辨率和對比度，而且功耗較低，因此蘋果公司在 2018 年將會在 Apple Watch(智能手表)上采用這種屏幕，在芯片安裝等課題得到解決后，應用范圍還將進一步擴大。 QLED 是使用量子點作為如 LED 或 OLED 那樣的發光元件。三星電子將其作為電視機顯示器的候選技術，目前正在推進開發。該公司認為 QLED 有望解決大型 OLED 的成本、可靠性問題[6]。對于印刷電子，因為已經開始在觸摸面板領域應用，所以預計會得到顯示器面板領域的采用[6]。

　　4 新型半導體功率器件的發展狀況及分析

　　在中國經濟的快速發展以及國際 IT 制造業向中國國內轉移的形勢下，物聯網、新能源、節能環保、智能電網、汽車電子及高速鐵路等新興產業將會得到很大的發展。作為現代產業發展的基礎，功率半導體器件將在各領域得到更廣泛的應用，中國功率半導體市場將持續保持較好的增長態勢，市場規模將持續擴大。

　　從目前來看，中國功率半導體器件市場規模發展較快，但總量仍不能滿足需求，特別是中高檔產品仍大量依賴進口。經過多年的發展，國內廠商在彩電、機箱電源、光源大功率晶體管等個別產品領域的競爭實力已有很大提升，在和國外廠商的競爭中已逐漸占據優勢地位，并逐漸擠占國外廠商的市場份額，但在市場份額更大、增長速度更快的高壓 MOSFET、IGBT 等高端產品領域仍與國外廠商有較大的差距。

　　美國、歐洲和日本的企業仍然是中國功率器件市場上的主要產品提供商，國內銷售的高端功率器件產品仍然由國外廠商所主導。面對良好的市場發展前景和巨大的進口替代市場，對于國內廠商來說，在目前國內市場的競爭格局下，盡快地提高技術水平、提升產品檔次已成為生存和發展的必然選擇。目前市場主流的功率半導體器件是硅基器件[8]，包括部分 SOI 基高壓集成電路。隨著以 SiC 和 GaN 為代表的寬禁帶半導體材料制備、制造工藝與器件物理的迅速發展，SiC 和 GaN 基的電力電子器件逐漸成為功率半導體器件的重要發展方向。IGBT 在近幾年的發展很快，IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)是由 BJT(雙極型晶體管)和 MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR(晶閘管)的低導通壓降兩方面的優點。GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET 驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT 綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為 600 V 及以上的變流系統，如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域[9]。

　　IGBT 與其他功率器件相比有諸多優點：輸入阻抗高、電壓控制、電容輸入、驅動電流小、控制電路簡單、開關損耗小、開關速度快、頻率響應好、工作溫度高、熱穩定性好等，而且不會有二次擊穿現象，安全工作區寬。此外，在應用上電路簡單，輸入與邏輯電路具有兼容性，是近乎理想的開關器件[9]。因此，它發展很快，備受青睞。

　　5 傳感器(MEMS)的發展狀況及分析

　　傳感器是指能感受規定的被測信號(非電量)并按照一定的規律(多指數學規律)轉換成可用信號(電量)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換電路組成。作為模擬人體感覺的 “電五官”，傳感器[11]的出現使物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓難以測量的信號變得更易檢測。作為高度自動化系統，傳感器是現代尖端技術的關鍵組成部分。因此，傳感器技術是當代高新技術著重發展的領域，是各個國家科技進步的核心之一。

　　據不完全統計，目前我國從事傳感器研發和生產的企業已經達到 3 000 多家，主要集中在珠江三角洲、長江三角洲地區，并逐漸形成以中心城市(北京、上海、深圳等一線城市)為主的區域空間布局。同時，我國傳感器在工業設備、汽車電子、測量通信等產業的需求規模也呈現出快速增長的趨勢。其中，傳感器應用最多的領域是工業電子產業和自動化生產產業，這兩個產業也是電子信息產業中發展最快的行業，如精密測量零件的工藝變量、電子特性和物理特性，以及監視和控制生產過程中的各個參數等。傳感器在這些產業中的大量應用，使得我國傳感器技術具有巨大的應用和發展潛力。然而我國在研發技術和生產能力上同發達國家還是有一定差距的，主要表現為：產品技術不能滿足高端技術產業的需求，品種規格不齊全，甚至嚴重依賴國外進口(MEMS 傳感器、汽車用傳感器及專用配套傳感器等)。

　　迄今為止，我國傳感器行業發展總體規模在逐漸擴大。例如，在汽車工業中，傳感器的應用系統包括汽車剎車控制、發動機運行、車輛安全行駛、汽車定位系統及汽車防盜等。綜上所述，我國傳感器的行業市場是巨大的，也是充滿挑戰的，我們應加強傳感器技術的研究和應用實力，使傳感器產業擁有更廣泛的發展空間。自改革開放以來，由于科技的發展，使得傳感器的制造技術取得了長足的進步，在傳感器的設計、可靠性、應用范圍等方面有了更高程度的突破與創新。當今傳感器技術的研究與發展，特別是基于測量通信和微型智能傳感器技術的發展，已成為衡量國家信息化產業的重要標志。我國傳感器技術進步主要表現在以下幾個方面：建立了國家重點實驗室、國家傳感技術工程中心等科學研究開發基地;MEMS、MOEMS(微光機電系統)等研究項目成為國家高新技術發展的重點;在“九五”國家重點科技攻關項目中，經過研究人員的開拓創新，在我國，傳感器已初步建立了產業市場。相比于其他發達國家，我國傳感器的研究起步較晚，在先進技術方面還落后于發達國家;作為新興產業，傳感器市場在一定程度上缺乏管理，導致國內產品缺乏競爭力。綜上所述，其主要表現為：一是產業環節分散，有效的發展推進機制尚未建立;二是標準繁雜，統一標準缺失制約應用水平的提升;三是軟硬件相似，同領域服務的同質化競爭激烈;四是傳感器基礎支撐能力較弱，成為物聯網發展的瓶頸;五是定制化軟硬件市場空間有限，限制產品推廣與企業成長;六是信息安全制約大規模應用。

　　由于人類對產業不斷地更新，對技術進行創新改革，以及在未知領域不斷地探索，從而對未來的科技提出了更高的要求。作為未來科技的核心技術之一，對傳感器技術的要求也將不斷提高，主要體現在微型化、智能化、較寬的適用范圍及低能耗方面，這也是新型傳感器的發展總趨勢[11]。隨著市場應用的推廣，我國產業發展將呈現出 4 個方面的態勢。

　　一是在技術創新方面，我國在物聯網自主技術標準和共性基礎能力上將進一步突破，在物聯網通用架構、數據與語義、標識和安全等基礎技術方面取得進展，在國產傳感器產業化生產方面獲得提升，傳感器與控制器融合、產品制造與內容服務融合的融合創新步伐不斷加快。

　　二是在產品應用方面，智能產品種類將繼續增多，設備與設備之間的交互連接智能化程度越來越高，有望將現有的星形結構擴展到網絡結構，將物聯網提升到新高度。企業與市場的利好決定了車聯網、智能家居產品及解決方案將大規模上市。

　　三是在企業發展方面，大企業的物聯網平臺都已基本成型，小企業加入大企業的生態圈，借力大平臺態勢出現。同時，未來將有更多的企業和團隊通過眾籌模式參與到產品的研制生產當中，眾籌模式有效拉近了消費者與生產者的距離，眾籌平臺將推出更多物聯網潮品。

　　四是在政策扶持方面，政策出臺向行業應用偏重，物聯網的推進內容將會逐漸向具體領域深入，各種行動計劃將成為重點。而在細分行業政策中以主要目標和任務的形式落實物聯網應用，將成為物聯網政策出臺的主要方式。同時，在政策內容中加大力度補齊軟硬件自主知識產權短板的態勢也將更加明顯[12]。

　　參考文獻

　　[1] 聚集照明新藍海應用 剖析UV LED/汽車照明等利基市場[EB/OL].

　　[2] 林中萍.半導體照明產業的發展現狀與問題[J]. 中國科技投資,2011-03-05.

　　[3] 中國半導體照明技術產業發展歷程及未來展望 _中國電熱設備網[EB/OL

　　 [4] 黃鑫,陳振強.太陽能電池何時動力十足[N].經濟日報,2015-05-27. [5] 光伏現狀_科索科技2015[EB/OL].

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