科技中国杂志

中国半导体照明产业技术路线图制定及其影响——半导体照明产业技术路线图研究评估报告

来源:《科技中国》2018年第九期pp.69-71

日期:2018-11-19

  文/王革 李振兴(中国科学技术发展战略研究院)

  经过30多年的发展,我国科技创新已步入以跟踪为主转向跟踪和并跑、领跑并存的新阶段,在一些技术领域已经走到世界前沿。当前,我国正处于推进供给侧结构性改革、加快新旧动能接续转换的关键时期,迫切需要通过采用有效的政策工具,科学谋划和积极推动在优势技术领域形成产业竞争优势,加快新动能培育,优化经济结构和产业结构。借鉴国际和我国的经验,通过研究制定产业技术路线图,可以明确产业发展阶段、技术路径、产业预期目标,找准技术产品市场演进规律,推动产学研合作、产业技术水平和组织协调能力上一个新台阶,可以为规划和推动新兴技术和产业发展提供有力支持。

  一、国外产业技术路线图的应用及影响

  1992年,美国半导体工业协会将技术路线图方法应用于美国半导体这一新兴产业规划,解决了困扰当时美国半导体业的竞争者们长达15年的困惑,使美国半导体产业一举超过日本,芯片产业投资净收益160亿美元,设备产业50亿美元,年投资收益高达640%。因此,美国半导体产业技术路线图被看作是产业技术路线图的典范,也被称为“产业技术路线图之母”。自半导体产业技术路线图以后,美国科技政策办公室产业技术路线图制定作为政府资源配置、加强产业组织合作、提升产业竞争力的重要工具。1999年,美国白宫科技政策办公室要求各产业制定产业技术路线图以改进政府R&D资金的配置,提高产业的制造能力和竞争力。自美国之后,加拿大、日本、韩国、欧洲等国都纷纷开展了产业技术路线图研究与制定。

  二、中国半导体照明产业技术路线图对产业发展的影响

  受科技部委托,2006年中国科学技术发展战略研究院在理论研究的基础上,选择了半导体照明产业开展产业技术路线图实践研究。课题组根据中国半导体照明产业发展的特点,用规范流程和有效组织对产业发展的愿景、目标、路径、不同阶段研发重点以及投资等进行系统分析,明确了产业技术创新的路径、方向,形成的《中国半导体照明产业技术路线图研究报告》成为我国半导体照明产业发展和技术创新规划的重要依据,为产业研发投入、投资、产业布局提供可靠的依据。2015年,课题组结合我国产业技术创新发展现状对半导体照明产业技术路线图结果进行了评估,证明产业技术路线图对我国新兴产业技术创新和发展具有很强的指导意义。

  1.判断产业发展阶段,明确技术创新方向

  2007年,全球半导体照明产业发展迅猛,产业格局处于形成阶段,全球LED的市场规模年均增长率超过20%,随着市场的快速发展,美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产,加快抢占市场份额。同时,国际厂商的合作步伐正在加快,产业链的全球化分工格局也在逐步形成。而我国共有LED企业1500余家,其中,下游封装企业及应用企业1500家以上,上中游的外延及芯片生产商有25家左右。课题组通过深入研究,对我国半导体照明产业发展阶段形成以下判断:我国半导体照明产业正处于从低端的封装集成向中高端的芯片制备升级阶段,面临着发达国家在技术和市场方面的制约。据此建议,未来一段时间我国半导体照明产业的材料和芯片研发将成为产业突破的重点,政府可以运用重大项目,引导产学研结合,集中资源攻克关键技术和重要设备,提升自主创新能力和产业竞争力。“十二五”期间,政府实施了半导体照明重点专项,集中资源攻克了氮化镓外延材料和芯片制备技术。到2015年,芯片国产化率达到了75%。

  在装备发展方面,课题组通过认真分析,提出MOCVD装备是半导体照明产业的核心装备,是提升产业竞争能力的核心,涉及产业安全,而且在产品成本中占很大比例。随着中国半导体照明产业的快速发展,我国MOCVD装备需求将大量增长。据测算,到2020年我国将需要400台或更多的MOCVD装备,按每台2000万元的市场价格计算,购置成本将达到80亿元人民币。但国内基础差,自主研发可能性不大;由于我国研发能力不足,联合开发的可能性几乎没有。因此,课题组建议,MOCVD装备的研发只能走引进消化吸收再创新的道路。通过引进消化吸收再创新,攻克核心技术,形成自己的知识产权,实现MOCVD装备的国产化,并力争未来5年左右形成MOCVD装备的重大应用。通过核心技术的研发,到2015年,我国已基本实现了装备国产化。

  2.选择技术路径,形成产业竞争优势

  新兴产业在发展的初期,一般是多路径齐头并进,半导体照明产业也不另外。当时,半导体照明衬底材料有蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)等5条发展路径,通过对技术发展趋势、基础等要素分析,课题组建议我国半导体照明产业发展选择硅(Si)、氮化镓(GaN)两条路径,因为氮化镓和硅衬底是未来发展趋势,我国具有较好的研发基础,具有一定优势,可能成为我国半导体照明产业发展的机会。根据课题组的建议,“十二五”期间国家半导体照明专项对其进行了重点支持,并取得了巨大的成效。2015年,我国已成功发展出6—8英寸硅上氮化镓外延技术,并在6英寸硅片LED技术上处于国际领先水平,打破了欧美技术垄断,站到了全球LED产业价值链的高端,形成了我国半导体照明产业的竞争优势。2015年以硅衬底的半导体照明产业链产值达50亿元。江风益团队因此荣获2015年度唯一国家技术发明一等奖。

  3.提出产业预期目标,引领产业发展

  我国是全球最大照明产品生产国和出口国,也是照明产品的消费大国,随着传统照明向半导体照明转变,将为我国带来巨大的半导体照明发展空间和较强的竞争优势。同时,我国是全球最大的LED背光源生产国和消费国,汽车第三大生产国和第一大消费国,汽车LED仪表盘背光、各类车灯方面的应用将形成巨大需求,我国半导体照明产业发展有着巨大空间。

  通过对我国城市化进程、照明产业发展态势、半导体照明可能替代率等多要素进行分析,明确了我国半导体照明产业发展的愿景目标。据测算,到2010年,我国半导体照明将替代30%的传统照明,达到1000亿元产业规模;到2015年,实现对传统照明40%以上的替代,实现主要产品的大规模应用,达到3500亿元产业规模;到2020年,实现对传统照明70%以上的替代,实现12000亿产业规模。巨大的市场空间如何培育我国产业竞争力,课题组根据技术发展趋势和竞争态势,对我国半导体照明产品的发光效率、使用寿命、成本等进行了判断,形成了阶段技术发展预期目标。

  上述目标引导了产业研发投入和产业建设投资,到2015年,我国半导体照明产业规模达到4200亿元,发光效率达到140lm/W。与路线图结果基本保持一致,成为产业发展规划和技术创新规划的重要依据。

  总体上看,我国半导体照明产业技术路线图通过产业内不同创新主体的互动,对技术创新方向、产业发展路径、产业政策等方面形成了广泛的共识,其成果支撑了产业发展规划的制定,支撑了产业重大政策的出台,也为产学研等创新主体搭建了合作的平台,推动了我国半导体照明创新能力从弱到强,产业规模从小到大,引领全球半导体照明产业发展。

  4.研究主导产品市场演进规律,明确主攻方向

  产品是产业发展的主体,也是市场竞争的主角。因此,新兴产业的发展必须明确技术发展和产品需求之间的互动。我国半导体照明技术路线图按照“技术—产品/流程—产业”这条主线展开,对影响道路照明、大尺寸背光源、汽车照明、通用照明等主导产品市场实现的“发光效率、使用寿命、应用成本”主要技术指标进行分析,形成了技术、产品、市场相互演进的相互关系,明确了产品实现的关键技术指标。同时,根据关键技术指标的发展趋势,判断上述主导产品进入市场顺序和时间。这一判断与国家实施“十城万盏”半导体照明工程的时间基本吻合,为我国产业提供了发展空间。

  三、新时期我国开展产业技术路线图研究的建议

  (1)对前沿技术推动的新兴产业、重大科技项目等开展技术路线图研究。重点把握好不同阶段的潜在需求和潜在市场、合理的技术路径、关键技术、产业发展的主攻方向,推动实现新技术与市场结合,为我国新兴产业发展、培育新动能提供战略智力支持。同时,通过技术路线图制定构建产业创新链,打造产业技术创新联盟。

  (2)积极探索传统产业技术路线图研究。当前,我国传统产业正处于加快转型升级的关键时期,新技术的广泛渗透对产业转型升级影响深远。对传统产业发展中的问题以及新技术应用存在问题进行系统梳理,明确不同阶段需要解决的问题、需要攻克的关键技术以及组织模式,为传统产业快速升级提供支撑。

  (3)搭建技术路线图研究平台,联合地方开展特色产业技术路线图研究,支撑地方经济发展。

  本报告系科技创新战略研究专项“产业技术路线图及其在国家重点研发计划重点专项实施中的应用研究”阶段性成果 (项目编号:ZLY2015131)。