Технология производства сверхъярких светодиодов станет конкурентоспособной на рынке светотехнической продукции

 

По идее, технические открытия и модернизация производства должны вести светодиодную промышленность по пути повышения производительности и снижения стоимости до определенного уровня. Однако этого не происходит.

На фоне быстро развивающегося рынка сверхъярких светодиодов легко упустить из виду тот факт, что очередной виток научного прогресса зависит от технологий, которых пока еще не существует. Увеличение объема продаж на LED-рынке зависит от технических открытий и модернизации производства, что позволит снизить себестоимость каждой единицы света (люмена) в десять раз, а значит, позволит конкурировать с люминесцентными лампами. Однако прогресс в этой области еще только намечается.

В 2010 году большой спрос на дисплеи с подсветкой увеличил рост рынка сверхъярких светодиодов на 50%. Примерно такой же рост ожидается и в следующем году, а в период с 2013 по 2014 год он удвоится. Как бы там ни было, пока этот сектор рынка еще набирает обороты, дальнейший рост в целом будет зависеть от развития значительного спроса на всю светодиодную продукцию в 2015 году. Оценивая темпы современного прогресса в области улучшения производительности и снижения стоимости, у светодиодной промышленности есть все шансы этого достигнуть. Однако требуется увеличить темпы развития.

С тех пор, как LG и Samsung пришли на рынок светодиодов, они выпускают 20% от всего мирового объема светодиодной продукции

Если светодиодная промышленность будет стремиться к развитию, то, в конце концов, займет достойное место на рынке светотехнической продукции, уверен генеральный секретарь Европейского промышленного консорциума Photonics (EPIC) Том Персал. И это закономерный результат глобального технического прогресса во всех областях научной и практической деятельности — от базовых исследований и материалов, до дизайна устройства и производственной эффективности. Если светодиоды так и будут стоить дороже люминесцентных ламп в два или три раза, то свой сегмент на рынке они вряд ли когда завоюют. Снижение стоимости будет самым существенным изменением, а не очередной полумерой. Оно позволит совершить те самые прорывные открытия, что поднимут светодиодную промышленность на новую ступень развития. Это направление работы признано членами Консорциума (EPIC) приоритетным. Организация дала поручение своим членам и аналитикам Yole Development подготовить доклад, озаглавленный «LED Mantech» (Технология производства светодиодов) с подробным анализом направленности и содержания процесса производства светодиодов.

Увеличение масштабов производства

Наилучшие возможности для комплексного снижения стоимости светодиодов даст увеличение эффективности производства, которое зависит от многих факторов, наиболее значимыми из которых являются увеличение масштабов и качества производства, тщательный подбор комплектующих. Увеличение масштаба производства гарантированно снизит цены и позволит сегменту сверхъярких светодиодов занять свое место на рынке. Совокупный годовой темп роста (CAGR) доходов к 2015 году, равный 28,2% — согласно основному сценарию — увеличит объемы производства пластин. Несмотря на непрерывно снижающуюся среднюю стоимость, продажи сверхъярких светодиодов в 2015 году принесут 25,7 миллионов долларов и обеспечат 40% совокупного годового темпа роста рынка. На рисунке 1 отражена динамика роста общей площади произведенных пластин. Так, при сохранении нынешних темпов роста, к 2015 году общая совокупная площадь обработанной поверхности пластин составит 51 миллион миллиметров — в восемь раз больше площади, произведенной в 2009 году (см. рис 1). Впрочем, увеличение объемов продаж не даст такого же стремительного увеличения использования пластин. Однако ожидается, что к 2015 их будет использоваться в семь раз больше, что эквивалентно 86,3 миллионам двухдюймовых пластин. С таким объемом продаж для сохранения позиций на рынке, к 2015 году потребуются солидные инвестиции. Вероятно, у больших, вертикально-интегрированных компаний вроде LG или Samsung в этом плане будет гораздо больше возможностей, чем у остальных.

Рис. 1. Сравнительная диаграмма площади подложек из различных материалов. Источник: доклад «LED Mantech» (Технология производства светодиодов)

С тех пор, как две эти компании пришли на рынок светодиодов, они выпускают 20% от всего мирового объема светодиодной продукции. Новички-производители полупроводников, только что пришедшие на рынок светодиодов окажутся в окружении промышленных гигантов, имеющих достаточные ресурсы для инвестиций. Сегодня в производстве светодиодов на основе нитрида галлия (GaN) занято свыше 60 компаний и поодиночке им не выжить. Поэтому ожидается их постепенная консолидация, которая, по оценкам экспертов Yole Development начнется уже в 2013 году.

Поставщики оборудования

Объемы промышленного производства и продаж такой величины не могли не привлечь внимание поставщиков оборудования. Они начали вкладывать деньги в разработку комплектующих, специально приспособленных для светодиодов. Это позволит повысить объемы продаж. Сектор производства сверхъярких светодиодов стремительно набирает обороты, и такие гиганты полупроводниковой промышленности как Самсунг и Микрон могут значительно ускорить этот процесс. По оценкам специалистов, чтобы обеспечить потребность в светодиодной продукции в 2010—2014 годах, необходимо построить еще 1400 дополнительных реакторов МОС-гидридной (MOCVD) эпитаксии. Большую часть этих реакторов к 2011 году будут производить новички, с небольшим опытом производства, что может вызвать некоторую нестабильность и всплеск спроса. Интенсивный рост рыночных продаж сверхъярких светодиодов вынудит производителей оборудования для МОС-гидридной эпитаксии сделать серьезные инвестиции в улучшение реакторов, удвоив их производительность. В конечном счете, поставщики планируют удвоение прибыли каждые пять лет.

Даже при развитии самого худшего сценария, производство светодиодов к 2020 году возрастет на 40 процентов

Одним из наиболее вероятных путей повышения доходов станет внедрение более совершенного оборудования и автоматизация производственного процесса. Несмотря на определенный потенциал, возможности модернизации с ростом темпов производства уменьшаются. По оценкам специалистов, с учетом всех возможных издержек и выбраковок, доля качественных пластин составит не более 24 процентов от общего количества произведенной продукции. Однако даже при развитии самого худшего сценария, производство светодиодов к 2020 году возрастет на 40 процентов. Такой низкий показатель обусловлен усложнением технической спецификации, что делает процесс модернизации довольно трудным делом (см.рис.2 ).

Рис. 2. Ключевые технологии и области исследований, отражающие относительное влияние на производственную стоимость светодиодов. *Под производительностью светодиода здесь имеется в виду эффективность, компактность, цветопередача, долговечность. Источник: доклад «LED Mantech» (Технология производства светодиодов)

Пластины с большим размером увеличивают эффективность

Применение пластин большего диаметра также способствует снижению цен. Пока большая часть производителей использует 2-х дюймовые пластины, часть из них перешла на 4-х дюймовые, а самые продвинутые осваивают 6-ти дюймовые. Большой спрос на светодиодную подсветку вызвал такой же спрос на 2-х дюймовые пластины, причем он настолько превысил предложение, что стоимость 2-х дюймовой пластины почти сравнялась со стоимостью на 4-х дюймовую. Чтобы увеличить производительность реакторов для МОС-гидридной эпитаксии, многие компании были вынуждены перейти на 4 дюйма. Массовый переход на использование пластин большего размера начнется не раньше 2011 года. Однако и в том случае массовая доля 2-х дюймовых пластин составит почти половину от общего количества.

Переход через несколько лет на 6-ти дюймовые пластины позволит значительно увеличить эффективность светодиодов. Сегодня производство 6-ти дюймовых пластин не из дешевых — чтобы вырастить необходимый кристалл, а также получить из него пластины определенного размера, нужны соответствующие технологии. Для их развития потребуются годы. Однако увеличение производственных мощностей произойдет уже в этом году за счет суммарной мощности таких гигантов как Рубикон и Монокристалл, а также корейской компании Сапфир Технолоджи. Кроме того, к выпуску 6-ти дюймовых пластин в 2010 году приступила фирма LG, и по крайней мере еще две — гиганты Philips Lumileds и Lextar дышат ей в затылок.

Компании, занимающиеся испытанием 8-ми дюймовых пластин, планирующие выпускать их с 2012 года или позже, зависят от наличия качественного оборудования. Производство пластин такого или даже большего диаметра станет реальностью лишь тогда, когда будут решены такие проблемы, как выращивание больших монокристаллов, и получение из этих кристаллов пластин необходимой величины и толщины, а также конечная стоимость пластин.

Благодаря серьезным научным исследованиям, была найдена альтернатива подложке из сапфира. Наиболее вероятной заменой сапфиру может служить кремний, однако стоимость изготовления кремниевой пластины гораздо выше, чем сапфир. И пока не появится инновационная технология, способная удешевить производство пластин из других материалов, сапфирные подложки остаются вне конкуренции.

Корпус и люминофор

Совершенствование корпуса и люминофора также помогут снизить стоимость в ближайшие несколько лет. Благодаря устойчивости к перегревам, кремниевые пластины вскоре могут полностью заменить сапфировые подложки, тем самым открыв новую страницу в корпусном дизайне светодиодов.

Если матрица будет распределена по всей поверхности подложки, то и люминофор и линзы можно расположить в удобном месте и при этом весьма компактно. Это поможет существенно снизить затраты на сборку. Примерно такие же технологии уже с успехом применяются в датчиках КМОП (CMOS), а также микроэлектромеханических системах.

Из способов снижения затрат на люминофор, который преобразует световое излучение в привычный нам белый цвет можно выделить такие, как использование инновационных наработок, увеличение объемов и качества производства. Еще одним перспективным подходом в ценовой оптимизации является технология световой точки. Однако она еще находится в процессе разработки.

Перевёл и подготовил Тимур Набиев