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半导体照明前10年回顾和未来展望(上篇)

2014-04-01 02:31 来源:csmpte

责编:系统管理员

周太明(复旦)丨半导体照明前10年回顾和未来展望(上篇)
2014-03-29
1999年Haitz等4位半导体物理学家撰写的白皮书以战略眼光预言LED将在通用照明中发挥巨大作用。2010年Haitz等在本文中回顾了半导体照明前10年的进展;对为何要进行半导体照明革命,以及取得这场革命胜利有哪些决定性因素,我们应该做哪些努力,做了非常详尽的分析;在对技术和市场进行科学论证的基础上预言了今后10~20年的发展前景,并高瞻远瞩地断言,半导体照明革命将取得最终的胜利!我们将这篇好文章推荐给读者,希望对大家进一步加深对半导体照明的认识有所帮助。
 
引言
10年前,来自Hewlett-Packard/Lumileds和Sandia 国家实验室的4位作者撰写了题为“关于国家半导体照明研究规划的情况分析”的白皮书[1]。这份白皮书第1次以综合分析的方式概述了半导体发光二极管(LEDs)用于通用照明的前景和潜能#1。该白皮书的发表在世界范围内激发了不少政府和工业界对这项技术的热情和投资。
该白皮书第1次发表于1999年10月6日在华盛顿举行的光电子产业发展联盟(OIDA联盟)年度论坛上,听众仅限于OIDA的成员以及国防部高级研究计划局(DARPA)和能源部(DOE)的代表。详细地作为战略学向公众发表则是在Light 2000会议上,这是由Strategies Unlimited[2]所组织的系列年会的第1次会议。白皮书从未在杂志上刊载,直到现在也只能到OIDA和Sandia 国家实验室的网站去访问(这里提供1个帮助信息:可到www.pss-a.com网站在线查询)。
自此之后已经取得很大的进展[3],时至今日大概很少有人还会怀疑半导体(LEDs)最终将取代火油灯、白炽灯、荧光灯和高强度放电灯等传统光源用于通用照明[4]。广义而言,原来白皮书的预言已经得到证实。
然而,通过进一步考察,我们发现所取得的进展并非都是沿着白皮书所预见的方向。究其原因,一方面是由于预测未来本来就是很难的事;另一方面则是由于我们4位作者都是从事半导体产业的,知识背景比较狭窄,缺少更广阔的洞察能力。我们4人当时对于照明应用要求(如光色控制、光通量和光色的稳定性、显色性和照明标准)的理解充其量也只能算是比较肤浅的。
撰写本文的我们俩人依然在从事SSL的研究工作,通过10年的努力,我们对固态照明有了更清楚的认识,因而有能力对原来的白皮书进行评述。我们讨论白皮书正确预测的发展趋势,也要讨论它错误预测的那些问题,并且还将对今后10~20年的发展做出一系列预测。
我们想借此机会使原来的白皮书作为本文的补充网络材料而如档案般具有利用价值。
1、红色LED指引了方向:Haitz定律
白皮书的核心内容是预测在具有130年历史的电气照明业界将要发生的革命,该业界要消耗全球能量的6.5%。这样的预测面临很多挑战:
第1个挑战就是预测必须要考虑到原有的照明技术可能会有的进步。1995年由EPRI倡议所写的评论[5]推断:现存的所有照明技术的提高都面临着基本物理原理的限制。例如白炽灯的光效由于受到黑体辐射定律的限制,在近1个世纪的时间里实际上没有多大提高。2800K的灯丝95%的辐射能量都是在红外区,光谱的可见部分仅有5%。卤钨灯通过升高灯丝的温度使可见辐射效率提高到约7%。其他照明技术的光效也面临着类似问题,从而使得在可以预见的未来它们的提高也将是很有限的。
第2个挑战是预测必须考虑到更长远的未来—至少20年,因为1999年时我们认为SSL在不到15年的期间内将不会有很重大的进展(见参考文献[1]的表4和表5)。1999年时SSL灯的价钱比白炽灯高出3个数量级,这还没有将电源转换器及灯头、灯壳的费用考虑进去。再者,预测必须建立在历史数据、所应用技术的现状和它们的科学根据的基础之上。只有这样,预测才能使全球的工业界和政府相信,从而在开始的10年里进行重大的投资。
为了对未来的20年进行可靠的预测,我们需要回顾历史,进行比较分析。所幸的是我们当中的1位(即Roland Haitz)已经收集了LED技术的有关历史数据,尤其是从1968年起就已商用的红色LED的技术数据。这些数据使得我们能够制作图表(参考文献[1]的图4)对两个量的历史演变情况进行分析:给定年份商用的最大功率的红色LED的光通量(以lm/lamp—流明/灯为单位);大量采购LED器件时原始设备制造商(OEM)所提供的光的价格(以$/lm—美元/流明为单位),自那时起该图表就被称为“Haitz 定律”。
1.1 1999年时的性能和发展趋势
图表显示的30年来商用LED性能的历史和它蕴含的LED与白炽灯未来竞争的潜能可以归纳如下。
首先,1999年时最好的红色和黄色LED的lm/lamp值约为40lm/lamp,比典型的60W白炽灯的1 klm/lamp的数值小25倍。将此数值和趋势线结合在一起看,LED的lm/lamp值在10年之内有可能达到与60W白炽灯相竞争的水平。
其次,1999年时批量LED的价格是$0.1/lm (即100美元/千流明),比白炽灯零售价高200倍。如果LED当灯泡来用,还需要将市电110/220V转换成低压的变换器、热沉,以及灯头等,这样价格还要更高。倘若再将批发和零售渠道的加价计算上去,总体来说在1999年时LED灯的价格要比白炽灯高出3~4个数量级,对LED灯的应用是一个很大障碍。从红色LED趋势线可以期望LED价格每10年降低10倍,这当然是很有意义的;但是如果没有运转费用降低的帮助,这样的降价速度还是太慢了(见第2部分的讨论)。
换言之,在10年之内LED灯的lm/lamp值是在与白炽灯竞争的过程中;而LED灯的$/lm值要想与白炽灯的值竞争,一定要通过减少能耗从而降低运转费用才有可能。
1.2 2003 年和 2010年的补充材料以及发展趋势
自1999年起 Haitz 定律的曲线已被定期更新。
2003年,进行了第1次重要的修正。由于不能为文献资料所支持,两个点被删除掉了;根据文献资料,又加入了几个新的点。此外我们除掉了1999年黄色LED的lm/lamp值的点,以免造成混乱;另外又添加了1999~2003年红色LED的lm/lamp值的点。所得到的新图表于2003年出版,如参考文献[6]的图5所示,表示红色LED35年lm/lamp的数据和30年$/lm的数据。红色LED的lm/lamp值的趋势线的斜率,从1999年的30倍/10年改变为2003年的20倍/10年;而$/lm值的趋势线的斜率维持不变,仍为-10倍/10年。
2003年对红色LED已经建立起一套完整的数据和趋势曲线。Haitz[6]提出理由证明:从红色LED的性能应该能够很好地预测白光LED。他的论据基于下列理由:(a)人眼对红光的灵敏度接近人眼对绿光和蓝光灵敏度的平均值;(b)红光功率约为白光功率的一半。这样说不是很科学,但是就像将第1批冷白光的lm/lamp和$/lm的数据叠加在红光LED数据上所显示的那样[6],红光LED有可能很好地预言白光LED的趋势。
图1是最近的曲线,是在2010年早些时候得到的。白光LED的数据点(白色的三角形)画在通过红光LED数据点(红色的菱形,三角形,圆圈和方块)所画的趋势线的上方。注意,这里白光的数据是针对现今最常用的蓝光芯片加荧光粉所制造出的色温为5000~8000K的冷白光而言,只是在2005年之后暖白光才引起商业兴趣。对将来的比较,在暖白光LED的光通量和价格等方面可以与冷白光LED相比较之前,我们只采用冷白光LED的数据。
请注意,尽管对白光LED的lm/lamp数据的数量级可以由红色LED的趋势线来加以预测,但是lm/lamp数据的增长已经更快。从图1可见,第1批白光LED灯在2000年时为10lm/lamp,要比红色LED的趋势线小2倍;然而很快,最好的白光LED灯的lm/lamp赶上并超过了红色LED的趋势线。如参考文献[6]所预言的那样,到2010年时白光LED灯的lm/lamp值高出红色LED的趋势线20倍。
这一斜率的变化是真的吗?在感觉上答案可说是,然而在另一方面又不是。对于这一点我们将在1.3节予以说明。
 
图1 (www.pss-a.com)Haitz定律的图显示了两套数据。lm/lamp的这套数据給出在1968~2010年能够商购的红色和冷白光LED灯的最高光通量。每流明OEM价格的那些数据则给出1973~2010年有商品供给的红色和冷白光LED灯的每流明光的最低价格。lm/lamp这套数据和每流明光价格的那些数据可能是对同样的灯,也可能是对不同的灯。这两条趋势线都是以红色LED数据为基础,而以白光LED数据叠加在红色LED趋势线上。红色LED趋势线上不同的符号是相应于不同的红色材料技术,这些材料在图的底部已加以说明。
1.3 Haitz 定律和 Moore定律的比较
在进一步深入讨论之前,我们应该就Haitz 定律和 Moore定律两者之间常见的一些类似点进行一番评论。
一方面,两个定律都预示了可量度的技术参量在一段时间内稳定而急速的变化。另一方面,这两个定律并非物理意义上的定律,但是它们非常简明地反映了下面二者间含蓄的相互促进关系:具有前景的新兴市场推动了技术进步;由于技术进步推进了新兴市场的开辟。两个定律各自对应的技术和市场则给予它们不同的限制。
对于Moore定律#2和固态电子学,上述的相互促进关系已经得到很好的证明。前景良好的计算机运作市场的扩张需求驱动了技术投资,使得单个芯片上的晶体管数目增加;而单个芯片上的晶体管数目增加使得计算机运作成本得以降低,又使得市场需求进一步得到激活。
究竟是哪个因素决定了进程的速率,是单个芯片上的晶体管数目,还是市场需求?实际上,对于低成本、高计算机运作能力的需求是没有极限的。近50年来半导体业界一直在采用两种方法努力增加单个芯片上的晶体管数目:减小晶体管的尺寸,减少瑕疵的数目。晶体管的尺寸小了,就能在单位面积上生成更多的晶体管;瑕疵少可靠性提高,就能经济地生产大尺寸的外延片。此外,计算机运作时能耗减少也是很重要的。小晶体管的寄生电容小,可以工作在更低的电压,因而减少了每个脉冲周期的能耗。由于持续减小晶体管的尺寸总是有限制的,因而在每一代新技术出现时总会以为Moore定律将不再成立。但是直到现在晶体管的尺寸已经小到32nm, Moore定律依然很好成立。实际上其最终的极限可能由硅原子的尺寸所决定。
对Haitz定律和SSL也有与上述类似的相互促进关系,但是带有不同的边界条件和最终的限制,它们受技术和市场需求的影响。
Haitz定律在过去10年里得到了发展,它反映了LED从小的信号指示光源到功率型的灯的转换。一方面我们看到由于光效和功率的增加,单灯的光通量从1999年的10lm增加到至2010年的6 klm;另一方面冷白光LED灯每千流明的成本从2000年的150美元降到2010年的5美元。成本大幅降低背后的推动力来自于光效的提高、单颗封装功率的增加、更大的芯片、更好的产品和更大量的销售等。
与计算机运作不同,对SSL的应用需求目前是由现存的照明技术来完成的,但是后者能耗较高。SSL只有在低得多的能耗下能获得现今照明技术同样品质的光通量,才能动摇根深蒂固的传统照明的地位。为达此目的,我们需要功率型的LED灯,它们的光通量在0.1~10 klm范围,光效达150~200lm/W。
最大光效的极限值:输入的电功率转化为光功率的效率不可能超过100%;在考虑了人眼对不同波长光的响应之后,如全部电能都转换成可见光,能获得的最大光效为400lm/W(译者注:假定输入的电能全部转换成400~700nm等能量白光,所能获得的光效是240lm/W,色温为5400K,显色指数Ra=95。考虑到通用照明对显色性有较高的要求,译者认为白光的光效将不会超过300lm/W。本文作者在后面3.3节中也说在接近250~300lm/W时光效将饱和)。根据热力学第一定律,光电转换效率会受到限制。在现今的这10年间转换效率的增加将渐趋平缓(详见第3节的预测部分)。这样,能耗将会随光通量而成比例增加。但是Moore定律并无此限制,每次计算机运作的能耗将持续地减少。
光通量的要求是有限的:照明应用所要求的光通量通常都可以由现在的传统照明技术来提供,要求SSL能产生比其更大的光通量,并非人们所欢迎(太亮会使人眼花瞭乱,产生眩光和光污染),而且代价太高(见上面对转换限制所做的评说)。对居住区和商业照明最合宜的光通量范围分别是300~3000lm和1~30 klm#3。即使对诸如体育场高清电视转播这类最苛求的应用,也只要求10~20Mlm的光通量。可采用10~50 klm的LED模组替代180 klm的金属卤化物灯来有效实现这类照明,只是代价较高。
考虑到这些限制,我们预见到Haitz定律中对光通量的要求将很快达到。通过将光通量较小的灯用在SSL市场中合宜的部分,灯的lm/lamp性能要求将仅与建立其‘‘显耀的权力’’有关。Moore定律也不受这样的限制:在未来的几十年内,对更强的计算机运作的要求将依然如故。
2、要想赢得一场革命需要做些什么?
在过去的两千年间,人类社会经历了许多次不是很有经验的革命,有些革命无疑取得了很大的成功,有些不能算很成功,而有些则是完全失败了。即使对一些范围很小的技术革命,其结果也是如此。究竟有哪些必要且充分的因素决定着技术革命的命运呢?
最通常的要素是对使用者有益。这一有益之处可从其性能、价格、方便和环境等因素来加以衡量。但是,由下面的两个例子可以看到,只是有益还是不够的。革命要想取得成功至少还需两个附加的要素[7]:(1)要有跳跃发展的市场,促进金融投资,并促进革新制造流程以使产品达到要求的性能;(2)作为被革命所攻击目标的技术必须是熟透的,或者它无力对攻击做出及时的、勉强的反应。
汽车和半导体晶体管是两个革命成功的例子。
汽车比马车有如下的优点:速度快,行程长,易维护,瞬间就能启用,而且污染减少(每公里的CO2排放量与每哩的马粪相比)。此外,因有足够的时间建设道路、加油站和维护设施,从而使运输成本降低。自Henry Ford的发明之后,汽车能够完成以前马车所能做的任何任务,而且做得更好、更快、更便宜、更方便。经过几百年驯化的马已经很成熟了,不可能变得更健壮,跑得更快,从而能够超过汽车,因而现在马车已经移作他用:在巴伐利亚乡间送啤酒,在伦敦参与皇室游行,在旅游热点供游客怀旧,以及在阿们宗派国家里供日常使用。
与真空电子管相比,半导体晶体管有如下的优点:尺寸小、能耗低、寿命长、在计算机中占有的内存大等等。真空电子管在这些指标方面发展的速度几乎(但不完全)像马车自身指标发展的速度一样慢。真空电子管的体积在50年内从300ml缩小到10ml,此步幅相当于在50年内线性尺寸减小了3倍。真空电子管代表了一种成熟的技术,很少有机会再提高它们的性能。与之相反,在Moore定律初期的那段时间里,晶体管的线度每6年减小3倍,而且50年后依然维持这样的步幅。去除热阴极的高功耗(2W)、玻璃管和相应的压封、灯头,以及解决短寿命等问题之后,在晶体管发明10年后不久就注定了真空电子管死亡的命运。真空电子管棺盖上的最后一颗钉子则是晶体管的集成化:最初是在单个芯片上生成几个晶体管,然后是成千个,现在已经大于100M个。真空电子管扮演着一个无防备能力的角色,给晶体管以足够的时间来赢得竞赛的胜利;而且晶体管实际上具有无数的跳跃式的应用市场,其中绝大多数应用真空电子管是无法实现的。在晶体管20周年之际,它与真空电子管的战斗已经结束了。现今,真空电子管只是用于日常生活中的一些特殊场合,如磁控管用在微波炉中,大功率管用于AM 和 FM无线电发射机中等等。
GaAs集成电路和场发射显示(field emission display (FED))是两个取得部分成功(或失败)的例子。
GaAs 或与其类似的III–V化合物作为晶体管材料优于硅,就如同硅优于锗一样。由于GaAs对温度不如硅敏感,而且速度更快,所以GaAs被期望用来替代硅,就像用硅已经取代了锗一样。尽管GaAs晶体管总是处于性能的前列,但是大多数情况下3~5年后硅晶体管也可达到同样“足够”好的性能,而且价格比GaAs便宜得多。因此,GaAs经过50年和无数次的跳跃发展才最终完成它的革命;然而硅是一个很灵活的靶子,并没有被完全打败。物理学定律阻止硅在下列场合应用:以极低的噪声、极高的速度和极大的功率产生光和有效的晶体管性能,除此之外硅还是很好的材料;而在上个世纪60年代早期的认识也依然成立:“GaAs过去总是,现在总是,将来也总是半导体材料。”
FED比有源液晶显示(LCD)屏优越之处在于它有较高的视觉质量,而且有文献证明其制造工艺简单,从而降低了成本。电视机和计算机的显示器从19世纪一开始就采用阴极射线管(CRTs),这是1个珍贵的玻璃器件。30年前,小型LCD开始进入计算机显示领域,由于体积小、功耗低,很快就在便携式计算机中占据主导地位,这是进入更大的平板显示器的重要跳板。大约在1990年,1种新的平板显示技术FED由硅谷初期的Candescent公司开发出来。Candescent公司以Hewlett-Packard (HP)公司作为它的主要投资者和最大的潜在客户。该公司的FED能够与CRT的视觉性能相匹配,胜过LCD。既然FED的制造技术是建成在LCD更为成熟的生产工艺流程之上,HP坚持要求Candescent引进一家领先的LCD制造商作为合伙者。这一精明的要求是基于FED缺少能够保证这一技术得以逐渐发展的跳跃式发展的市场。在快速成长的笔记本电脑市场,FED从一开始毫无疑问就遇到与LCD的价格竞争。Candescent第1个 FED工厂规模很小:现今第9代LCD生产设备和工厂设计在1999年时耗费约10~15亿美元,没有哪家领先的LCD制造商愿意为FED这一技术风险签约,而且这一技术将和他们已花费巨大投资的LCD直接竞争。没有顶级制造LCD合作者的工艺流程的诀窍,任何被迫单干的方式注定要失败,2000年左右HP退出经营,Candescent成为硅谷历史上投资耗费最大的失败者。尽管FED在技术上不成问题,但预期的这场显示技术革命还是未能成功,而且大约6~7亿美金的投资化为灰烬,作为美好的10年时光和艰苦努力的剩余价值,最后只是将二手设备和一堆最可能有用的专利拍卖掉。这场革命失败的根本原因是FED缺少跳跃式发展的市场,而LCD技术又十分灵活。
现在我们转过头来研究照明。在白皮书[1]中所作的提议概述了针对根深蒂固、强大的传统照明产业的一场革命,传统照明的产品包括白炽灯以及它的衍生品卤钨灯、荧光灯和高强度放电(HID)灯。在构想这一提议时,遇到大量的困难问题。SSL能够满足或超过根深蒂固的传统照明所设定的性能和价格的要求吗?在满足要求的过程中根深蒂固的传统照明将如何灵活表现呢?我们是否有时间和跳板去筹集资金进行SSL的基础建设以达到与传统照明竞争的水平?抑或在SSL起飞之前就被镇压掉了。1999年时我们只有白色灯的雏形,光通量只有10lm;除了有希望之外,其他什么也没有。是否这是构成了1个虚假的幻想,或是在修建1个核心的基础呢?SSL将成为像硅晶体管一样的成功案例,或者如GaAs 那样仅仅是部分成功?我们当时对SSL打败白炽灯和卤钨灯有信心,因为它们的能量转换效率都很低。但是对余下的技术,尤其是荧光灯将面临的更大的挑战,要战胜这些技术,SSL的光效必须达到150~200 lm/W,零售价低于$5 /klm。为实现这些指标,需要在接下去的10年中投资数十亿美元用于研发和形成生产能力。
照明业界的领导、能源经济学家、大学的研究人员和政府的投资机构都十分清楚,传统光源技术有1个致命弱点:白炽灯将电转换成可见光的效率只有5%,荧光灯也仅28%。这样低的效率似乎为光源效率的提高留下了很大的空间。然而,EPRI1995年对该产业所作的广泛研究[5]得出这样的结论:在可以预见的未来,没有哪一种传统光源技术的转换效率能有重大的飞跃。这给了人们1个启示:就如同马车和真空电子管一样,传统光源技术也是一个容易被攻破的目标。
1999年时,红光LED的光效有了引人注目的改进,LED和激光LED在红外和光谱的红色区域的转换效率已经达到50%~60%。假如SSL能够在整个可见光区达到这样的性能,那么具有大于50%转换效率的光源看来是有可能实现的。光源的光效增加1倍或两倍将使照明的能耗减少50%~75%;这样,仅在美国就可少发电30~45GW。1999年这一认识在全世界引起了共鸣!
但是实际上,更高的效率仅仅是照明革命成功所需的判据之一,只有它还是不够的。让我们来看看革命成功需要的其他的一些性能要求和投资准则。如果没有能被接受的价格和光的质量,即使最有效的光源也找不到买主。SSL光源的价格必须足够低,以使用户在合理的使用期内通过节能来补偿其与传统光源的价差。光的质量必须满足现今通常采用的光色标准,而且光色在光源额定的寿命期内保持稳定。SSL光源的寿命必须满足或超过最好的传统光源。这些条件代表了成功所需要的另外一些附加的必要条件,然而还是不够充分的。我们还需要由跳跃式市场机会和坚定的投资者所建立起来的R&D资源。
在已经满足所有的这些判据之后,仍然留下了一个简单的问题:有无可能已经确定了霸主地位的传统照明业界会将处于襁褓之中的SSL技术压垮呢?这个问题只能婉转地加以回答。SSL可以有两条出路:SSL可以说服传统照明业界,使其相信加入这一革命行列才是它们自身最大的利益所在;或者SSL业界必须有足够的资本以建立自身的基础设施和市场渠道等,最后摧毁传统照明。第一条路取决于SSL的品质;另一条路则要求SSL能成功地获得资源去单干。迄今为止,SSL业界已经能够挥舞获胜的双手了。它开发了一系列单色和白光的跳跃式的应用领域,在交通信号灯、汽车尾灯和装饰景观照明等方面与传统照明的战斗中均获得胜利。2010年前后,遭受像FED那样失败命运的威胁已经一去不复返,传统照明业界已经决定加入这场革命。剩下的唯一问题是:SSL将像晶体管取代电子管那样取得完全的成功;还是仅仅取得部分成功,传统照明仍然占据实质性的市场份额,而并没有被送进博物馆?
在下面的4个小节中,将对光效、价格、光的品质和生成足够的R&D资源等方面进行详细考察。我们还将指明重要的跳板,以及在对这个相当大的、并且具有风险的投资建立信心方面的心理因素。根据我们在2010年的洞察,可以说这些所需的判据已经或将在这个10年的末期得到满足。通过这些考察,再结合第3节中将要讨论的对未来的展望,给了我们信心:SSL已经具备了满足这些必要而充分判据的力量,将如同晶体管革命那样去赢得这场照明革命的胜利!
(未完,待续)
作者简介:Roland Haitz1 Jeffrey Y. Tsao2 著  周太明3 译
(1. 美国加州 波托拉谷 阿代尔路25号;2 .美国桑迪亚国家实验室 物理、化学和纳米科学中心,新墨西哥州, 3.复旦大学电光源研究所)