LED技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢完

整版LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢1.照明技術(shù)發(fā)展簡介白熾燈、熒光燈以及高強放電燈（HID）三種光源，順次主導(dǎo)了20世紀的照明市場。1879年，ThomasEdison發(fā)明了第一盞白熾燈，功率60瓦（W）,工作時間100小時，轉(zhuǎn)換效率接近1.4流明/瓦（Im/W），而現(xiàn)在60W的白熾燈，工作效率已提高到15lm/W，平均工作時間1000小時。1901年，美國發(fā)明家PeterCooperHewitt發(fā)明了低壓水銀氣體放電燈，在此原型基礎(chǔ)上，1939年GE公司成功開發(fā)了現(xiàn)代熒光燈。目前，熒光燈的工作效率依據(jù)種類及功率不同介于65~100lm/W之間1。1810年，英國化學(xué)家HumphryDavy向皇家學(xué)會展示兩根通電木炭間的小小電弧，高強放電燈就是基于該現(xiàn)象提出的。1964年第一盞金屬鹵素?zé)粼谑澜缯褂[會上展出，隨即高壓鈉燈在1965年出現(xiàn)。現(xiàn)在同樣依據(jù)種類以及功率不同，高強放電燈的效率介于45~150lm/W之間。1950年英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碑化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料有電致發(fā)光現(xiàn)象，可發(fā)出紅外光，這導(dǎo)致了發(fā)光二極管（LED）的問世2。1962年通用電氣先進半1流明（Lumen）,符號為Im,是光通量的SI單位，光通量是描述單位時間內(nèi)光源輻射產(chǎn)生視覺響應(yīng)強弱的能力（人眼感知的光能的量度），定義為發(fā)光強度為1坎德拉（cd）的點光源，在單位立體角（1球面度）內(nèi)發(fā)出的光通量為1流明?；蛘哒f，一個各向同性的1坎德拉光源發(fā)射的總光通量為4兀流明。1lm=cd-sr=1cd-m2?m-2。發(fā)光通量與輻射通量不同，輻射通量是發(fā)光總能量的量度，而發(fā)光通量則對人眼對不同波長光的敏感程度不同做了相對調(diào)整。與力學(xué)的單位比較，光通量相當于壓力，而發(fā)光強度相當于壓強。要想被照射點看起來更亮，我們不僅要提高光通量，而且要增大會聚的手段，實際上就是減少面積，這樣才能得到更大的強度。人眼對不同顏色的光的感覺是不同的，此感覺決定了光通量與光功率的換算關(guān)系。對于人眼最敏感的555nm的黃綠光，1W=683lm，即1W的功率全部轉(zhuǎn)換成波長為555nm的光，為683流明。這個是最大的光轉(zhuǎn)換效率，也是定標值，因為人眼對555nm的光最敏感。由于人眼對紅光不敏感，對于650nm的紅光，1W的光僅相當于73流明。對于白色光，要視情況定，因為很多不同的光譜結(jié)構(gòu)的光都是白色的。例如LED的白光、電視上的白光以及日光就差別很大，光譜不同。電光源的發(fā)光效率是指1W的電功率能轉(zhuǎn)化成多少光通量。如果全部轉(zhuǎn)換成555nm的光，那就是每瓦683流明。如果有一半轉(zhuǎn)換成555nm的光，另一半變成熱量損失了，那效率就是每瓦341.5流明。白熾燈能達到1W=20lm就很不錯了，其余的都成為熱量或紅外線了。LED是lightemittingdiodes的縮寫，中文翻譯為發(fā)光二極管。發(fā)光二極管是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。與普通二極管一樣，發(fā)光二極管也是由一個PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦?。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同，當電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。磷碑化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。

導(dǎo)體實驗室發(fā)明了第一個可實際應(yīng)用的可見光譜的LEDO經(jīng)過一系列的技術(shù)改進，在六十年代晩期，紅光GaAsPLED商業(yè)化生產(chǎn)，七十年代中期，GaP型綠光LED開始生產(chǎn)，而九十年代，日亞化學(xué)工業(yè)株式會社（NICHA,以下簡稱日亞）在中村修二的領(lǐng)導(dǎo)下成功開發(fā)并商業(yè)化了第一個GaN藍光LED。組合紅綠藍三色LED或者在藍光LED上涂覆黃色熒光粉可產(chǎn)生白光LED,這對通用照明而言是另一個高效而且富有發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)。在開發(fā)白光LED的同時，研發(fā)者們同時致力于提高LED技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率。目前，LED的商業(yè)化器件效率已經(jīng)達到76-132Im/W,商業(yè)化的LED照明系統(tǒng)效率也達到了62Im/W,超過了大部分的熒光燈及部分HID照明系統(tǒng)。近期Cree公司已將LED器件效率記錄提高至230Im/W,的確令人吃驚。150L0050WhiteLED>:WhiteOLEDPanelLinearFlu口150L0050WhiteLED>:WhiteOLEDPanelLinearFlu口rmEntHID/LdwHigh1940 I960 11940 I960 1號。 2DM 2020HabogenIncandescent圖1各類光源發(fā)光效率的比較及未來發(fā)展預(yù)測

（資料來源：NavigantConsulting,Inc）1987年柯達公司ChingW.Tang和StevenVanSlyke率先開發(fā)了有機發(fā)

光二極管（OLED）3,一個雙層有機電致發(fā)光器件。1990年Burroughes等人

以共輒高分子聚對苯乙烯（PPV）開發(fā)的高效綠光OLED,在全球掀起了OLED3有機發(fā)光二極管（oganiclightemittingdiode-OLED）技術(shù)釆用有機材料來提供范圍比普通LED技術(shù)更豐富的色彩。研究的熱潮4。目前，白光OLED器件的實驗室發(fā)光效率已達到90Im/W,而各公司也于近期開始將白光OLED商業(yè)化，但作為基本器件原型的白光OLED面板，其效率目前僅為23lm/W。從圖1看出，傳統(tǒng)的白熾、熒光以及HID光源，分別歷經(jīng)了60年到120年的發(fā)展才達到目前的性能，為此工業(yè)界已臻全力，估計未來大幅度提高效率的可能有限。而固態(tài)照明技術(shù)，如LED和OLED,卻有可能將發(fā)光效率提高至現(xiàn)有最高效的白光光源的兩倍以上。在過去的40年中，LED的光輸出每十年增長20倍，而與此同時，每流明的成本降低了10倍（圖2）。1E+041E+041E+O31E+Q21E+O11E+004*11.E02任1.E0419時197C197519801985199。19932DOO200520102015202C圖2LED光輸出和每流明成本情況以及未來的發(fā)展趨勢4聚對苯乙烯（PPV）是一種典型的線狀共軛高分子，經(jīng)摻雜后是一類重要的導(dǎo)電材料。PPV及其衍生物是一種性能優(yōu)良的電致發(fā)光材料，可發(fā)紅綠色光，是目前共軛聚合物電發(fā)光研究的重點。

2.LED產(chǎn)業(yè)2.1LED產(chǎn)業(yè)概況2021年，全球LED市場規(guī)模達到80億美元，其中高亮度LED在LEDmarket$izeasafunctionoidevicetypesi龍一UHbifF)rrurfcet■HcgubrIEDrnarhct drii-wibvS€l日曄la村》知曲J_ ■MHSDmirke?|a$|投-nl￡55￡飴卡1995-2004年間的年平均增長率達到46%o美國市場研究公司預(yù)測，全球LED市場規(guī)模年增長率將超過15%,其中高亮度LED(high-brightnessLED)將步入高速增長階段，占據(jù)LEDLEDmarket$izeasafunctionoidevicetypesi龍一UHbifF)rrurfcet■HcgubrIEDrnarhct drii-wibvS€l日曄la村》知曲J_ ■MHSDmirke?|a$|投-nl￡55￡飴卡+11%iyr2005MM7?co??C092005MM7?co??C09201020112OLZ301320142015LAitlCOnwrkfl［喚SOWBSOOHso.ue51.UD$1.6JQSUOBHB-lEDmarket4$D.bJbsum鑰麗SLUESl.UH5LMBS2.1H8SZ.UB猛】址囲更莒u4「ULDn^rlket(Bit$4.146鈕.AH心淚圖3全球LED發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展預(yù)測目前，LED的生產(chǎn)仍然“比較原始”，工藝尚未完全自動化，而制造商們除了應(yīng)對降低芯片成本的挑戰(zhàn)外，尚需解決由于材料本征缺陷而導(dǎo)致的LED發(fā)光色質(zhì)、轉(zhuǎn)換效率以及穩(wěn)定性等性能問題。2.2LED產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)根據(jù)美國能源部報告，目前產(chǎn)業(yè)界內(nèi)的共識是，LED將在2年前主導(dǎo)照明市場，同時集成了控制以及感應(yīng)系統(tǒng)的“智能系統(tǒng)”以及根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域區(qū)別的模塊化部件將扮演愈加重要的角色。美國計劃在北美本土打造LED生產(chǎn)基地，利用來自其他地區(qū)的零件來組裝終端的照明系統(tǒng)。如圖3所示，LED照明系統(tǒng)按照裝置配件可分為以下四類，即LED、電路驅(qū)動ThermalMtinugenient圖3LED裝置配件示意圖系統(tǒng)(electricaldriver).光學(xué)系統(tǒng)(optics)和熱控系統(tǒng)(thermalmanagement)。除LED以外，電路、光學(xué)及熱控亦自成體系又相互交叉，被廣泛應(yīng)用于其他電子產(chǎn)業(yè)，在與LED核心技術(shù)高度集成的同時，保持了相對的獨立性。Sgrce.PHWFS,Con-tro/［基板襯底"中油蜘IDeposfbonFatirwatrofia祜WPacifaffrnff.35袞簽“jjfFunss-ActiveBasfe'BirfTerL±e-技術(shù)難度評價byUSDOEAssesSmiBntoffVialuBLfthWAJigna-rhrationLappingCeMingScribing-'DicingPn&binigBrnning/PackingWireSgrce.PHWFS,Con-tro/［基板襯底"中油蜘IDeposfbonFatirwatrofia祜WPacifaffrnff.35袞簽“jjfFunss-ActiveBasfe'BirfTerL±e-技術(shù)難度評價byUSDOEAssesSmiBntoffVialuBLfthWAJigna-rhrationLappingCeMingScribing-'DicingPn&binigBrnning/PackingWire!Tlwrm謁H?3l&IFlkspecific:Dk i1Driver_Mounting |total] |llluinin?iljr$ri「Ph&sphor;熒光粉：L 1SignfAutoIMgbiktHigihtechctudl?nrg?.USLzWrshipOther二IHigh破也chilling*.HeU$LwUrfhipOther，U^wer'bK'h匚日奪丄M|n.P?rt|Elpartii>n圖4LED產(chǎn)業(yè)鏈及關(guān)鍵工藝示意圖圖4是美國應(yīng)用材料公司(AppliedMaterialsInc)所繪LED產(chǎn)業(yè)鏈及相應(yīng)工藝難點，其中基板襯底、熒光粉及熱沉均屬于技術(shù)難度高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了更好地理解LED技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)，可以把LED產(chǎn)業(yè)分為4個不同的區(qū)域。第一區(qū)域是制造LED器件本身，包括制造晶圓、LED芯片、LED封裝等。這一部分是整個LED產(chǎn)業(yè)的基石，因而競爭非常激烈，這一區(qū)域包括了幾乎所有的頂級LED廠商，如科銳(Cree)、日亞化學(xué)(Nichia)、歐司朗(OsramGmbH)、飛利浦(Philips)、豐田合成(ToyodaGosei)、首爾半導(dǎo)體(SeoulSemiconductor)等公司。另外，一些液晶電視制造商，例如臺灣的奇美和友達光電公司近年來也加入到該區(qū)域，而成了LED器件的制造商。第二區(qū)域是制造對LED器件至關(guān)重要的外圍材料和元件，如熒光粉、封裝材料、驅(qū)動器、控制器和熱管理組件等。這一區(qū)域中的公司包括一些在第一區(qū)域的公司，但也包括一些只提供外圍材料和元件的其他公司。第三區(qū)域的公司通常只為其他LED公司提供設(shè)備和工具，從晶圓和芯片的制造設(shè)備到測試和測量設(shè)備。這些公司往往不涉及LED產(chǎn)業(yè)的其他區(qū)域。在第四區(qū)域的是系統(tǒng)集成公司，他們制造以LED為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，諸如液晶電視、、手提電腦、交通燈、燈具、加裝燈泡、汽車燈組件、傳感器、通信系統(tǒng)以及醫(yī)療設(shè)備等。這一區(qū)域的公司可以蔓延到幾乎所有需要光源的行業(yè)，并且公司數(shù)目還在不斷增長。在這部分領(lǐng)先的公司包括通用電氣、西門子、飛利浦和霍尼韋爾(Honeywell)等。為增強企業(yè)競爭力及行業(yè)話語權(quán)，立式整合，即基于企業(yè)核心競爭力分別向上下游產(chǎn)業(yè)鏈擴張是比較流行的企業(yè)運作方式，其中以Cree公司為代表。2.3LED全球產(chǎn)業(yè)鏈布局及代表性企業(yè)重晶棒T軍晶片T緖構(gòu)設(shè)計T驀島片金狀莓踐重晶棒T軍晶片T緖構(gòu)設(shè)計T驀島片金狀莓踐T光罩觸刻

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烤T扌後［1T；走試T包裝基板上、中游下游美國SiC基板：Cree日本SiC基板：ROHM5美國Al2O3基板:Bicron、Honeywell德國：Osram（歐司朗）荷蘭：PhilipsLumileds日本Al2O3基板：京瓷、Shinkosha信光社美國：GE日本：Nichia日亞、ToyodaGosei豐田合成、ROHM臺灣Al2O3基板：Sino-Americasilicon中美硅晶、Waferworks合晶科技韓國:SeoulSemi首爾半導(dǎo)體、SAMSUNG三星、LGInnotek日本GaAs基板：Sumitomo、HitachiCable、Shinetsu臺灣：Epistar晶電、Arima華上、FOREPI璨園、Tekcore泰谷、HugaOptotech廣鎵、Epi-Valley鼎元、新世紀美國：AvagoSiC基板：InfleonN-Crystals、PWAM廈門、天科合達、ll-VIInc、DowCorninge、NipponSteel日本：Toshiba、CitizenWatch、Stanley