成本不是半导体白光照明的拦路虎

    虽然半导体照明非常昂贵，很难进入普通消费者家庭的说法不绝于耳，但半导体白光照明灯要替代白炽灯和日光灯，在外延、芯片和封装等成本降低上并没有很大困难，其中关键的挑战在于能否大幅度提升技术水平。半导体照明灯替代白炽灯和日光灯是必然趋势，其价格一定能降到老百姓能接受的程度。

    半导体照明成本在逐渐下降

    半导体照明的技术路线众多，不同技术路线成本不同。就同一种技术路线而言，不同技术水平成本也有明显差异。即使同一种技术路线、同一种技术水平，各生产厂家采用不同的成本控制方法，其结果也会有较大差别。由于上述问题都给成本预测带来困难，所以要做半导体照明的有关成本预测，先让我们对技术方案进行一些假设：

    首先，蓝光LED激发荧光粉，其中蓝光LED为GaN基多量子阱LED结构。其次，由尺寸为1mm×1mm的芯片封装成单灯。第三，半导体照明灯由若干个单灯简单组合而成。第四，每一个单灯均安装在带有驱动电源、散热性能良好的灯支架上，但驱动电源、支架及装饰部件的成本不计算在固态照明灯成本之内，即本文仅考虑“灯泡”的成本。第五，芯片发光效率高低和芯片器件所能承受的功率密度大小基本与成本无关。这一假设显然有不足之处，但由于提高发光效率和器件所能承受的功率密度的技术路线太多，很难预测不同路线的真实成本，所以在目前情况下只好如此。不过，这一假设在一定范围内是成立的。比如，同一家研究单位或企业提高外延生长、芯片制造和器件封装水平，往往可以在不明显增加成本的前提下，通过优化工艺技术而显著提高发光效率和器件所能承受的电流密度。第六，外延生长、芯片制造和器件封装均达到比较理想的90%的合格率。

    一些国家，已经对固态照明技术的成本做出了一个规划，例如，美国固态照明技术路线图中就有对成本的目标：

    首先，到2007年，光通量为200lm的固态白光照明灯(效率为75lm/W)，价格降到4美元以下，即光通量相当于20W白炽灯水平的固态白光照明灯，其单价降到32元人民币左右。

    其次，到2012年，光通量为1000lm的固态白光照明灯(发光效率为150lm/W)，价格降到5美元以下，即光通量相当于60W白炽灯水平的固态白光照明灯，其单价降到40元人民币左右。

    第三，到2020年，光通量为1500lm的固态白光照明灯(发光效率为200lm/W)，价格降到3美元以下，即光通量相当于20W日光灯水平的固态白光照明灯，其单价降到24元人民币左右。

    除了成本规划外，目前市场上的情况如何呢？

    目前市场上光通量为30lm～50lm的固态白光单灯(1mm×1mm芯片)，其销售价格约为20元到28元。但实际成本如何呢？在一片直径为50mm的蓝宝石衬底上，GaN基LED的衬底、外延和芯片成本分别为300元、300元和600元，用此外延材料可制造成1600个大小为1mm×1mm的功率型半导体芯片，每个芯片的成本不到1元。

    目前封装1W半导体白光灯的成本约6元(芯片成本除外)，但批量生产，厂家自己开模，成本控制在1.5元是没有问题的，所以，只要企业规模做上去了，合格率达到预期的目标，1W半导体白光灯成本应在2.5元以内。
提高发光效率是降低成本关键

    发光效率为40lm/W时，1W半导体白光灯成本在2.5元以内，光通量为1500lm的半导体白光照明灯，其成本应控制在93.75元以内。

    发光效率为200lm/W时，1W半导体白光灯成本在2.5元以内，光通量为1500lm的半导体白光照明灯，其成本应控制在18.75元以内。

    发光效率高达200lm/W，同时器件功率密度高达10W/mm2，是美国固态照明技术路线图的最高目标。如果这一目标能够达到，也就是说使用一颗1mm×1mm的GaN基LED芯片，就可封装成光通量为2000lm的半导体白光灯，它比20W日光灯还亮。此时，比起日光灯，1500lm半导体白光灯的成本更低，其成本主体取决于封装，其成本有可能变到5元以下。这一目标能否达到，外延材料生长、芯片制造和器件封装同样重要。

    研究工作表明，半导体照明芯片承受功率密度10W/mm2是没有问题的，只要散热条件足够好，而今后的关键问题在于提高外延材料内量子效率，提高芯片出光效率，提高器件封装效率和散热特性。 半导体白光照明灯要替代白炽灯和日光灯，在外延、芯片和封装等成本上并没有很大困难，不像某些文献和报告中所说的那么可怕，即使上述预测成本提高一倍也还是比较乐观的，这里关键的挑战在于能否大幅度提升技术水平。不断提高外延材料的质量，不断提高发光效率，不断提高器件所能承受的功率密度，解决好器件散热问题，半导体照明灯替代白炽灯和日光灯是必然趋势，其价格一定能降到老百姓能接受的程度。近期国内外技术突飞猛进，预示着半导体照明灯进入千家万户的时代会提前到来。