LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與日光燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。LED由GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導(dǎo)體材料制成。上世紀(jì)初人們便開始了LED研究，1960年GaAs紅外光LED的商品化打開了LED的大門；1993年藍(lán)光LED的發(fā)展，更是將LED由單色的應(yīng)用擴(kuò)展至全彩的境界；1996年白光LED的開發(fā)，使得白光LED技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出跳躍般成長，也使LED具備進(jìn)軍與人類生活息息相關(guān)的照明產(chǎn)業(yè)的能力。

概述

LED主要由PN結(jié)晶片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成；因此它具有一般PN結(jié)的特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂购蛽舸┨匦�。其發(fā)光過程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂中，當(dāng)電子經(jīng)過該晶片時，帶負(fù)電的電子移動到帶正電的空穴(電洞)區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量(帶隙)越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應(yīng)，可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)光、紫光攜帶的能量最多，橙光、紅光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，所以LED能夠發(fā)出不同顏色的光，波長分布從400nm的藍(lán)光到900nm的紅外光。

LED主要分為可見光和不可見光，其中可見光LED產(chǎn)品包括紅、黃、橙、藍(lán)、紫光等，其主要應(yīng)用市場包括指示光源、交通信號、汽車照明、顯示器、裝飾光源、LCD背光模塊、手機(jī)光源與普通照明等；而不可見光LED包括IrDA、VCSEL及LD等，以通信應(yīng)用為主。不可見光LED又分為二種，短波長紅外光應(yīng)用在無線通信用(如IrDA模塊)、遙控器、傳感器，長波長紅外光則用在短距離通信光源。同時，按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流可分為普通亮度LED、高亮度LED，低功率LED、高功率/高電流LED。除上述分類方法外，還有按晶片材料、功能、結(jié)構(gòu)等分類方法。

LED具有壽命長、光效高、無輻射、低功耗等優(yōu)點。經(jīng)過幾十年的技術(shù)改良，LED發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24lm/W(流明/瓦)，日光燈50-70lm/W，鈉燈90-140lm/W，大部分的耗電變成熱量損耗。目前，LED大廠都有50lm/W以上的產(chǎn)品，光的單色性好、光譜窄，無需過濾便可直接發(fā)出有色可見光，離120lm/W照明應(yīng)用的目標(biāo)也越來越近。同時，各大廠現(xiàn)正加緊提高LED發(fā)光效率方面的研究，以加速LED照明的普及。其次，LED的工作電流低、耗電量少，非常節(jié)能。LED單管功率0.03-0.06W，采用直流驅(qū)動，單管驅(qū)動電壓1.5-3.5V，電流15-18mA，反應(yīng)速度快，并可在高頻操作;同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的八分之一，日光燈管的二分之一。而LED燈體積小、重量輕，采用環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)度的沖擊和震動，不易破碎。

LED壽命非常長，可達(dá)10萬小時。以LED制作的燈具使用壽命可達(dá)5-10年，可以大大降低燈具的維護(hù)費用。同時，由于LED發(fā)熱量低、無熱輻射、冷光源，而且能精確進(jìn)行控制，因此在使用過程中，可確保安全……現(xiàn)在，LED正以其固有的優(yōu)越性吸引著世界的目光。
4、LED結(jié)構(gòu)
 
LED的制造過程內(nèi)含許多核心技術(shù)，如磊晶技術(shù)、電極制作、晶粒切割與結(jié)構(gòu)封裝等，皆與LED工作效能和使用壽命息息相關(guān)，其中結(jié)構(gòu)封裝不僅保護(hù)LED晶片，更能提升產(chǎn)品壽命。LED的構(gòu)造形式眾多，可分為傳統(tǒng)炮彈型(Lamp type)與表面貼裝型(SMD)兩種；炮彈型由支架、反射杯、晶片、晶線和封裝材料組成，主要是將晶粒黏著于反射杯，隨后予以打線、封膠、脫膜、成形。而SMD型LED晶片被黏在基板上后，再打線、壓模、切割、測試、成形，體積較炮彈型構(gòu)造縮小許多，大量使用在如手機(jī)般小型化攜帶性產(chǎn)品。

LED產(chǎn)業(yè)鏈

LED組件依其制造過程可分為上游磊晶形成、中游晶粒制造(將磊晶片經(jīng)過電極制作、平臺蝕刻等程序切割出LED晶粒)及下游封裝等。

LED上游廠商產(chǎn)品為單晶片及磊晶片。單晶片為制造LED的基板，多采用GaAs、GaP為材料；磊晶片則是根據(jù)不同產(chǎn)品在單晶片上成長多層不同厚度的單晶薄膜，如AlGaAs (砷化鋁鎵)、AlGaInP(砷化鋁鎵銦)、GaInN(氮化鎵銦)等。通常的磊晶成長技術(shù)有液相磊晶成長法(LPE)、氣相磊晶成長法(VPE)及有機(jī)金屬氣相磊晶法(MOVPE，又稱MOCVD)等，其中VPE、LPE等技術(shù)已相當(dāng)成熟，皆可生產(chǎn)一般亮度的LED。而MOVPE可以AlGaInP為材料生產(chǎn)紅、黃、綠光，以GaN材料生產(chǎn)藍(lán)光外，并可生產(chǎn)微波通訊用的GaAs組件、紅外線LED(IrDA)、雷射二極管LD等應(yīng)用廣泛之產(chǎn)品，故成為各廠商競相投入的生產(chǎn)方法。在整個LED產(chǎn)業(yè)價值鏈中，上游磊晶最高。就目前成長率最高的高亮度LED而言，必須使用MOCVD方法，因為化合物半導(dǎo)體的材料特性不穩(wěn)定且易碎，所以如何掌握磊晶配方如：溫度、壓力、材料比例成為此過程之關(guān)鍵。參見磊晶成長方法表以了解主要磊晶方法及其特點。

中游廠商主要的產(chǎn)品為晶粒切割。其制造過程為：根據(jù)LED需求作磊晶片擴(kuò)散，然后金屬蒸鍍，之后在磊晶片上光罩、作蝕刻、熱處理，制成LED兩端金屬電極，接著將基板磨薄、拋光后再作切割。LED中游廠商依組件結(jié)構(gòu)的需求制作電極及切割成晶粒。

下游廠商主要是將晶粒封裝，將晶粒黏于導(dǎo)線架，依各類產(chǎn)品的不同應(yīng)用將晶粒封裝成不同的LED，目前封裝后的產(chǎn)品類型有Lamp(炮彈型)、集束型、數(shù)碼顯示、點陣式與SMD型，其中SMD型LED的體積較其它傳統(tǒng)型LED小，因此SMD型主要用在手機(jī)的屏幕背光源及手機(jī)的按鍵，受手機(jī)的需求影響甚大。
 

LED行業(yè)的觀測指針：日本廠商

日本為全球LED產(chǎn)業(yè)(含白光)最大產(chǎn)國，其動向幾乎為LED業(yè)者的觀測指針。

a)Nichia(日亞化學(xué))

Nichia為全球最大的高亮度LED供貨商，其主力產(chǎn)品為氮化銦鎵(InGaN)藍(lán)、綠光LED，并以成品型態(tài)銷售。由于日本是最大LED需求國，Nichia的產(chǎn)品主要以內(nèi)銷為主。Nichia于1993年與Shuji Nakamura研發(fā)成功以藍(lán)寶石(Sapphire)基板與氮化物磊晶長成藍(lán)光LED后，并將激光的量子結(jié)構(gòu)應(yīng)用于LED的磊晶上，為LED的發(fā)光效率寫下劃時代的進(jìn)步。Nichia積極研究以藍(lán)色LED晶粒加上熒光粉激發(fā)白光，以生產(chǎn)發(fā)光效率更好、更穩(wěn)定的白光LED。Nichia在高亮度LED市場上居于領(lǐng)先地位，卻采取防衛(wèi)策略，由材料研發(fā)、磊晶、晶粒制作、封裝，皆自行完成。此外，因Nichia擁有200項以上的關(guān)鍵性專利，其中多為基礎(chǔ)性的技術(shù)，許多廠商積極尋求Nichia的授權(quán)與合作。藍(lán)光晶片加YAG熒光粉的白光專利權(quán)為日亞化學(xué)所有。幾年前日亞化學(xué)就和Citizen、豐田合成、Cree、Osram、Lumileds等廠進(jìn)行交叉授權(quán)。

b)Toyoda Gosei (豐田合成)

豐田合成為豐田汽車旗下公司，主要業(yè)務(wù)為生產(chǎn)汽車相關(guān)化學(xué)產(chǎn)品，目前為全球第四大及日本第二大高亮度LED生產(chǎn)廠商。產(chǎn)品主攻汽車應(yīng)用市場如：車燈、儀表板背光源等；此外在彩色屏幕行動電話的背光源，豐田合成也占有一席之地。該公司主要專注于InGaN組件的生產(chǎn)，除了與Nichia同樣供應(yīng)燈泡、與表面封裝型的LED外，豐田合成尚從事晶粒的銷售，松下電工(Matsushita Electric)為其主要的客戶，兩者并于1999年共同合作晶粒結(jié)構(gòu)之設(shè)計，配合藍(lán)寶石基板上長成InGaN組件正負(fù)電極同邊的特性，提高光的抽取效率(Extraction Efficiency)。另與Toshiba合作，以InGaN制成紫外光晶粒，加上紅、藍(lán)、綠三色的熒光粉激發(fā)白光，由豐田合成制造晶粒，Toshiba則負(fù)責(zé)封裝。

此外，日系廠商的佼佼者還有第一大SMD LED制造商Citizen電子和住友電工(Sumitomo)。

LED行業(yè)第二大陣營：歐美廠商

a)Osram Opto

Osram Opto為全球第二大，也是歐洲最大高亮度LED生產(chǎn)廠商。Osram于1999年由Infenion (英飛凌)集團(tuán)旗下的Siemens與照明大廠Osram GmbH合資成立。Osram Opto以歐洲市場為主，且專注于汽車應(yīng)用。目前歐系汽車大廠如：平治、寶馬、奧迪、大眾皆為Osram Opto的客戶。該公司與Cree一直保有技術(shù)移轉(zhuǎn)及供應(yīng)鏈上良好的關(guān)系，Cree為一美國知名化合物半導(dǎo)體公司，研發(fā)出以碳化硅(SiC) 基板的藍(lán)光LED產(chǎn)品。炭化硅基板折射率大，可取代傳統(tǒng)的藍(lán)寶石基板以繞開Nichia專利。盡管碳化硅(SiC)基板與GaN存在晶格不符的缺點，但由于其磊晶速度較快，且具成本優(yōu)勢，仍受到市場的歡迎，OSRAM OPTO的藍(lán)光LED晶粒除了自制外，主要自Cree購入。

b)Lumileds

Lumileds是由照明巨頭Phillips和Agilent之合資公司，在高亮度LED方面具有領(lǐng)先的研發(fā)與制造技術(shù)。其Luxeon系列白光LED是目前市面發(fā)光效率高的LED產(chǎn)品，并領(lǐng)先汽車照明市場。Agilent是HP的光電半導(dǎo)體部門，為北美第一、全球第三大的高亮度LED廠商，亦為全球最大的光電組件廠商，其在LED的發(fā)展淵源已有30年以上的歷史，為全球最大的AlGaInP四元高亮度LED廠商。該公司為發(fā)展LED照明市場，在1997年，由HP與Phillips照明合資成立Lumileds Lighting，并將照明及信號用之高亮度LED轉(zhuǎn)至Lumileds，兩者間維持技術(shù)支持與銷售的合作關(guān)系。Lumileds不僅承襲了由Agilent長期耕耘LED的輝煌成果如：開發(fā)透明基板技術(shù)，也擁有完整由磊晶、晶粒、封裝技術(shù)制作過程的專利。Lumileds Lighting 致力于研發(fā)Flip-Chip(倒晶法)，將較大的晶粒以其先進(jìn)的技術(shù)封裝，期使LED可穩(wěn)定地于高電流環(huán)境下操作，并提高組件發(fā)光效率，此種產(chǎn)品可適用于汽車及號志等領(lǐng)域。

雖然早期的白光LED受制于日亞化學(xué)在藍(lán)光的專利屏障，進(jìn)展并不順利。不過各國在材料以及制程技術(shù)的研發(fā)仍積極研發(fā)投產(chǎn)上，其中仍是以美、日大廠較為積極，因此未來5-10年美、日仍是白光LED的領(lǐng)導(dǎo)者。

第三勢力：臺灣廠商

臺灣LED產(chǎn)業(yè)以可見光為主，主要原因是臺灣為全球消費電子產(chǎn)品的生產(chǎn)基地。早期LED產(chǎn)業(yè)主要以封裝為主，至1998年以后國內(nèi)成立了十?dāng)?shù)家上游磊晶廠，并以生產(chǎn)高亮度LED磊晶片為主。臺灣發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)已有二十多年歷史，整體而言，以中下游較具規(guī)模。目前是全球下游封裝第一大及中游晶粒第二大生產(chǎn)地。

臺灣典型的廠商中，上游磊晶廠商有全新、國聯(lián)、華上、晶元等。中游有鼎元、光磊等。其中鼎元主力產(chǎn)品為紅、綠、黃、橙色可見光LED晶粒；而光磊除晶粒制造外，還制造LED大型顯示板。下游有億光、光寶、佰鴻等。億光為是臺灣最大的LED下游封裝廠；光寶為臺灣最大的LED顯示屏廠商。這些廠商大多在大陸設(shè)廠，以擴(kuò)大產(chǎn)量，降低成本，增加市場競爭能力。目前，臺灣已成為僅次于日本的世界第二大LED生產(chǎn)基地。

最具潛力的世界LED基地：中國大陸

除外資企業(yè)外，中國從事LED產(chǎn)業(yè)的單位超過400家。中國大陸積極投入超高亮度LED領(lǐng)域，到目前為止，可生產(chǎn)四元系A(chǔ)lGaInp的紅、橙、黃色晶片，GaN基藍(lán)、綠色晶片，以前低功率白光LED封裝產(chǎn)品，其晶片以進(jìn)口為主。典型企業(yè)包括深圳飛通光電子、方大國科光電技術(shù)有限公司；北京海特光電、福創(chuàng)光電子等公司；上海北大藍(lán)光公司；以及石家莊慧能光電材料、立德電子；大連路明等。

普遍認(rèn)為大陸跟臺灣的LED水平相差3年的技術(shù)差距，但是大陸LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅猛，要追上臺灣看來只是時間的問題，尤其是目前臺灣眾多封裝業(yè)者設(shè)廠大陸，無形提升了大陸LED封裝的技術(shù)。同時，中國政府也大力支持LED的發(fā)展，例如國務(wù)院于2003年成立了半導(dǎo)體LED照明推動小組。再者，雖然在功率LED及高性能晶片市場依賴進(jìn)口，但中國大陸很多部門在LED研發(fā)方面都下足了力度。這些部門包括中科院半導(dǎo)體所、南昌大學(xué)、廈門三安、深圳方大、上海北大藍(lán)光等。