LED原理及产业分类

LED原理及产业分类

LED是发光二极体( Light Emitting Diode, LED)的简称，也被称作发光二极管，这种半导体组件发展以来一般是作为指示灯、显示板，但目前随着技术增加，已经能作为光源使用，它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有最长达数万小时～10 万小时的使用寿命，同时具备不若传统灯泡易碎，并能省电，同时拥有环保无汞、体积小、可应用在低温环境、光源具方向性、造成光害少与色域丰富等优点。

随着白光LED的出现与更多科技的导入，目前在家用电器及笔记本电脑的指示灯、汽车防雾灯、室内照明等照明设备日渐蓬勃，LED的应用越来越普遍。

LED的发明

在1955年时，美国无线电公司（Radio Corporation of America）的Rubin Braunstein发现了砷化鎵（GaAs）与及其他半导体合金的红外线放射作用，而1962年美国通用电气公司（GE）的Nick Holonyak Jr则开发出可见光的LEDLED。不过，LED真正的起飞是在1990年代白光LED出现后，才开始渐渐被重视，而应用面越来越广。

LED的发光原理

LED是一种可以将电能转化为光能的电子零件，并同时具备二极体的特性，也就是具备一正极一负极，LED最特别的地方在于只有从正极通电才是会发光，故一般给予直流电时，LED会稳定地发光，但如果接上交流电，LED会呈现闪烁的型态，闪亮的频率依据输入交流电的频率而定。LED的发光原理是外加电压，让电子与电洞在半导体内结合后，将能量以光的形式释放。目前全球产业所发展出的不同种类LED能够发出从红外线到蓝之间不同波长的光线，而业界也有紫色～紫外线的LED，近年来LED最吸引人的发展是在蓝光LED上涂上萤光粉，将蓝光转化成白光的白光LED产品。LED之所以被称为世纪新光源，原因在于LED具备点光源与固态光源的特性，能够节省能源、高耐震、寿命长、体积小响应快速、并且色彩饱和度高。

LED的顏色：

由于随着LED的制造材料不同，产生出来的光子拥有的能量也不同，故业界透过制造材料来控制LED发光的波长，进而产生拥有不同光谱与顏色的各种LED。

全球第一颗LED采用的材料是砷(As) 化鎵(Ga)，工作电压为1.424V，其发出的光线为红外光谱。之后，业界发展出以磷(P)化鎵(Ga)作为LED的材料，工作电压为2.261V，发出的光为绿光。业界早期就透过这2种型态LED所需的材料，调配出从红外线到绿色光范围内所有波长的LED产品，发展出常见的红光LED、黄光LED、橙光LED等等，这3大类LED因为使用了鎵、砷、磷3种元素，故被称为3元素LED，而蓝光LED、绿光LED与红外光LED则被称为2元素LED。业界后来发展出采用混合铝(Al)、钙(Ca) 、銦(In)和氮(N)共4种元素的4元素LED，就能够发出所有可见光范围与部份紫外线光谱的光线。

LED的亮度：

在讨论LED产品会看的发光亮度有3种单位，分别是照度单位勒克司（Lux）、光量单位流明（Lumen；lm）、发光强度单位烛光（Candle power；CD），3种单位各自有适合使用的领域，但是在数值上是互通的。

1 CD表示完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方公分面积的发光强度。适合用在主动发光灯具领域，如白热灯泡。

1 lm表示1 CD光照射在距离为1公分，面积为1平方公分平面上的光量。适合用在反射灯具与穿透灯具领域，如投影机。

1 Lux表示指1 Lm光量均匀分佈在1平方米面积上的照度。适合用在摄影领域。

一般而言，单一LED的发光强度以CD为单位，并配上视角参数，而LED的发光强度从各位数mCD到5,000mCD不等。厂商在标示LED单一产品时，其发光强度规格是说LED在20mA电流下点亮时，最佳视角上和中心位置上发光强度最大点的发光强度。

LED的节能效益

基于环保立场以及节约能源诉求，全球各国政府重视LED与节能灯具带来的经济与节能效益，而厂商也看好这次照明革命的商机而纷纷投入。除了欧盟与美国国会均进行阶段性禁止白炙灯泡的使用外，目前已经有加拿大宣佈2010年全面禁用白炙灯泡，而美国加州在内的部份州，也要在2012年禁止白炙灯泡，而澳洲则宣佈在2010年全面禁止贩售白炙灯泡，中国、日本也有LED的奖励方案在规划中。

虽然目前市面上已经有另一种节能灯具产品省电型萤光灯（CFL），但由于其照明品质仍旧不够，啟动时间较一般白炙灯泡长，而且不能调整光源输出亮度，普及度仍不够高。LED则具备更多的节能效益，并且藉由技术的提昇，亮度已经达到让人满意的程度，但价格高昂是一大问题，未来随着全球LED厂商的量产脚步加快，价格降低后可加速LED灯具的普及程度。

LED的寿命：

一般LED的发光寿命很长，产品大多标明为100,000小时以上，但事实上LED的亮度是会衰减的，在运用一段时间后，亮度会衰捡到原本的一半或甚至更少。但所幸随着业界技术的进步，减少LED亮度衰减问题的方案很多。在生产过程中，选用如4元素LEC材料能够拥有较久的亮度衰减週期，而厂商使用的 LED工艺与成品究竟能耐用多久有很大的关係，配色也是LED厂的生产关键。

LED的使用寿命，比一般白炙灯泡的1,000小时、日光灯具的1万小时，LED使用寿命可达5万小时，大幅降低灯具替换的成本。这项特性帮助 LED 灯具在价格竞争上，有了将一般灯泡替换成LED的好理由，更可藉由这项优势，让许多原本因经济考量而不能全天开啟的环境，藉由LED照明让公共或私人场所更安全。比如说公共停车场、冰箱等等应用范围，美国最大零售业者威名百货（Wal-Mart），日前就已经将该公司的冷冻设备改採省电的LED产品。

LED较明显的缺点就是散热问题，不当的散热将导致LED灯具的光度与使用寿命衰减，所幸这部份藉由新技术的加持，渐渐也有了显着的改善。

LED的应用：

除了我们熟知的各种电子产品上面的LED指示灯外，LED屏幕、LED照明、液晶屏幕用的LED背光源、手机上按键的LED背光、新世代的OLED 屏幕、PLED屏幕等等各式各样关于LED的应用正逐渐稳定的发展中，部份领域的LED应用因为市场发展趋于成熟，普及的速度开始加快，也无形中创造出惊人的商机。

目前高亮度白光LED光源，是目前美欧日LED大厂竞相研发的重点，预估到了2011年后，LED将在一般照明市场中大规模普及。虽然亚洲在 2006年高亮度的生产规模占全球76％市佔率，不过白光LED光源专利为日本的日亚化（Nichia）和T.G.、美国的Cree以及欧洲的 Philips Lumileds和Osram五大厂所掌握；中游模组虽无标准规格，但仍为国际大厂包括National、Laminar、Osram、Lumiled、 Vishay所主导；美国与日本也开始积极制订照明应用器具安规及能源标准。

LED现阶段最大的应用是手机按键的背光源，各种电子展品的指示灯，而最近应用在广告看板的大型LED屏幕，还有应用在液晶屏幕的背光源也越来越受到瞩目，LED的应用面日趋广泛。预估在2007下半年可以看到更多LED产品的问世，而2008年LED照明产品能够进一步地下降到部份消费者能接受的程度，未来的发展端看各国政府积极应用LED于公共事业的速度，可望加速LED价格的下滑，当消费者采用的程度也提高，届时产生的经济效益与节能效益很可观。

LED的全球市场发展：

在2005年时，全球高亮度LED市场规模达58亿美元，2006年达到66亿美元，预估2011年可增加到106亿美元，平均年增长率（AAGR）为10.2%。高亮度LED的出货量2005年达到48亿个，计2006年增加到65亿个，预估2011年达到88亿个，平均年增长率为 10.3%。2005年LED的基板材料销售额超过10亿美元，2006达到11亿美元，预估2011年18亿美元，平均年增长率为9.7%。

台湾方面在2006年的LED照明光电产值为新台币210亿元，2010年将提升到930亿元，2015年更可达到5400亿元。在上游光源部分，台湾产量为全球第一，2006年高亮度LED产值不含手机应用高达新台币150 亿元。台湾上游LED光源产业居全球重要地位，因为在红、绿光LED技术上处于领先位置。下游应用台湾照明生产品质佳，价格与全球通路是优势。台湾厂商在液晶面板（LCD）的背光模组全球市佔率达到48％，故台厂藉此切入开发LED背光模组也是一项优势，而车用LED产品也被视为重点项目之一。

预估2007年起LED将可逐步代现有白炽灯，2011年起逐步取代萤光灯。欧盟自2007年起逐步淘汰白炽灯泡，澳洲宣示从2010年起全面禁用白炽灯泡，故LED市场前景十分值得期待。未来5年市场应用应以LED看板或显示的背光源、车用与一般照明为市场发展主力。

LED是通电时可发光的半导体材料制成的发光元件，材料使用III- V族化学元素（如：磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等），发光原理是将电能转换为光，也就是对化合物半导体施加电流，透过电子与电洞的结合，过剩的能量会以光的形式释出，达成发光的效果，属于冷性发光。

LED最大的特点在于：无须暖灯时间(idling time)、反应速度很快(约在10^-9秒)、体积小、用电省、污染低、适合量产，具高可靠度，容易配合应用上的需要制成极小或阵列式的元件，适用范围颇广，如汽车、通讯产业、电脑、交通号誌灯、液晶面板用背光源、LED屏幕等。

LED产业主要可以分成上、中、下游三类。上游为单芯片及其外延，中游为LED芯片加工，下游为封装测试以及应用。其中，上游和中游技术含量较高，资本投入密度大。从上游到下游，产品在外观上差距相当大。LED发光顏色与亮度由磊晶材料决定，且磊晶占LED制造成本70%左右，对LED产业极为重要。

上游是由磊芯片形成，这种磊芯片长相大概是一个直径六到八公分宽的圆形，厚度相当薄，就像是一个平面金属一样。常见的外延方法有液相外延法（LPE）、气相外延法（VPE）以及金属有机化学汽相沉积（MOCVD）等，其中VPE和LPE技术都已相当成熟，可用来生长一般亮度LED。而生长高亮度LED必须采用MOCVD方法。上游磊晶制程顺序为：单芯片(III-V族基板)、结构设计、结晶成长、材料特性/厚度测量。

中游厂商根据LED的性能需求进行器件结构和工艺设计，通过外延片扩散、然后金属镀膜，再进行光刻、热处理、形成金属电极，接着将基板磨薄拋光后进行切割。依照芯片的大小，可以切割为二万到四万个芯片。这些芯片长得像沙滩上的沙子一样，通常用特殊胶带固定之后，再送到下游厂商作封装处理。中游芯片制程顺序为：磊芯片、金属膜蒸镀、光罩、蚀刻、热处理、切割、崩裂、测量。

下游包括LED芯片的封装测试和应用。LED封装是指将外引线连接到LED芯片的电极上，形成LED器件，封装起着保护LED芯片和提高光取出效率的作用。下游厂商封装处理顺序为：芯片、固晶、粘着、打线、树脂封装、长烤、镀锡、剪脚、测试。