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LED产业技术及产业发展趋势

1. 照明技术发展简介
白炽灯、荧光灯以及高强放电灯（HID）三种光源，顺次主导了20世纪的照明市场。1879年，Thomas Edison发明了第一盏白炽灯，功率60瓦（W），工作时间100小时，转换效率接近1.4流明/瓦（lm/W），而现在60W的白炽灯，工作效率已提高到15 lm/W，平均工作时间1000小时。1901年，美国发明家Peter Cooper Hewitt发明了低压水银气体放电灯，在此原型基础上，1939年GE公司成功开发了现代荧光灯。目前，荧光灯的工作效率依据种类及功率不同介于65~100 lm/W之间流明（Lumen），符号为lm，是光通量的SI单位，光通量是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力（人眼感知的光能的量度），定义为发光强度为1坎德拉（cd）的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1流明。或者说，一个各向同性的1坎德拉光源发射的总光通量为4p流明。1 lm = 1 cd × sr = 1 cd × m2 × m-2。发光通量与辐射通量不同，辐射通量是发光总能量的量度，而发光通量则对人眼对不同波长光的敏感程度不同做了相对调整。与力学的单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W = 683 lm，即1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683流明。这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。由于人眼对红光不敏感，对于650nm的红光，1W的光仅相当于73流明。对于白色光，要视情况定，因为很多不同的光谱结构的光都是白色的。例如LED的白光、电视上的白光以及日光就差别很大，光谱不同。电光源的发光效率是指1W的电功率能转化成多少光通量。如果全部转换成555nm的光，那就是每瓦683流明如果有一半转换成555nm的光，另一半变成热量损失了，那效率就是每瓦341.5流明。白炽灯能达到1W=20 lm就很不错了，其余的都成为热量或红外线了。
。
1810年，英国化学家Humphry Davy向皇家学会展示两根通电木炭间的小小电弧，高强放电灯就是基于该现象提出的。1964年第一盏金属卤素灯在世界展览会上展出，随即高压钠灯在1965年出现。现在同样依据种类以及功率不同，高强放电灯的效率介于45~150 lm/W之间。
1950年英国科学家发现砷化镓（GaAs）半导体材料有电致发光现象，可发出红外光，这导致了发光二极管（LED）的问世 LED 是light emitting diodes的缩写，中文翻译为发光二极管。发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。与普通二极管一样，发光二极管也是由一个PN结组成，具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
。1962年通用电气先进半导体实验室发明了第一个可实际应用的可见光谱的LED。经过一系列的技术改进，在六十年代晚期，红光GaAsP LED商业化生产，七十年代中期，GaP型绿光LED开始生产，而九十年代，日亚化学工业株式会社（NICHA，以下简称日亚）在中村修二的领导下成功开发并商业化了第一个GaN蓝光LED。组合红绿蓝三色LED或者在蓝光LED上涂覆黄色荧光粉可产生白光LED，这对通用照明而言是另一个高效而且富有发展潜力的新技术。在开发白光LED的同时，研发者们同时致力于提高LED技术的转换效率。目前，LED的商业化器件效率已经达到76~132 lm/W，商业化的LED照明系统效率也达到了62 lm/W，超过了大部分的荧光灯及部分HID照明系统。近期Cree公司已将LED器件效率记录提高至230 lm/W，的确令人吃惊。
图1 各类光源发光效率的比较及未来发展预测
（资料来源：Navigant Consulting，Inc）
1987年柯达公司Ching W. Tang和Steven Van Slyke率先开发了有机发光二极管（OLED）有机发光二极管（oganic light emitting diode-OLED）技术采用有机材料来提供范围比普通LED技术更丰富的色彩。
，一个双层有机电致发光器件。1990年Burroughes 等人以共轭高分子聚对苯乙烯（PPV）开发的高效绿光OLED，在全球掀起了OLED 研究的热潮聚对苯乙烯（PPV）是一种典型的线状共轭高分子，经掺杂后是一类重要的导电材料。PPV及其衍生物是一种性能优良的电致发光材料，可发红绿色光，是目前共轭聚合物电发光研究的重点。
。目前，白光OLED器件的实验室发光效率已达到90 lm/W，而各公司也于近期开始将白光OLED商业化，但作为基本器件原型的白光OLED面板，其效率目前仅为23 lm/W。
从图1看出，传统的白炽、荧光以及HID光源，分别历经了60年到120年的发展才达到目前的性能，为此工业界已臻全力，估计未来大幅度提高效率的可能有限。而固态照明技术，如LED和OLED，却有可能将发光效率提高至现有最高效的白光光源的两倍以上。在过去的40年中，LED的光输出每十年增长20倍，而与此同时，每流明的成本降低了10倍（图2）。

图2 LED光输出和每流明成本情况以及未来的发展趋势

2．LED产业
2.1 LED产业概况
2021年，全球LED市场规模达到80亿美元，其中高亮度LED在1995~2004年间的年平均增长率达到46%。美国市场研究公司预测，全球LED市场规模年增长率将超过15%，其中高亮度LED（high-brightness LED）将步入高速增长阶段，占据LED产品比例逐步加大，并成为LED主流产品。美国LED研究专业机构Strategies Unlimited在全球范围内对LED的产业发展趋势进行了跟踪分析。在描绘高亮度LED产业结构时，该机构指出，当前芯片及系统的设计方案都更趋于复杂化，上下游间的产品分界线尚未标准化，产品质量仍然是当前面临的主要问题。现阶段大部分的高亮度LED产品的封装都是在亚洲进行的，尽管相当高份额的产品由亚洲尤其是中国制造，但设备及关键材料多由美、日提供，而LED照明系统的设计亦大多在欧美完成。
图3 全球LED发展现状及未来发展预测

目前，LED的生产仍然“比较原始”，工艺尚未完全自动化，而制造商们除了应对降低芯片成本的挑战外，尚需解决由于材料本征缺陷而导致的LED发光色质、转换效率以及稳定性等性能问题。
2.2 LED产业链结构
图3 LED装置配件示意图
根据美国能源部报告，目前产业界内的共识是，LED将在2 年前主导照明市场，同时集成了控制以及感应系统的“智能系统”以及根据应用领域区别的模块化部件将扮演愈加重要的角色。美国计划在北美本土打造LED生产基地，利用来自其他地区的零件来组装终端的照明系统。
图4 LED产业链及关键工艺示意图
基板衬底
如图3所示，LED照明系统按照装置配件可分为以下四类，即LED、电路驱动系统（electrical driver）、光学系统（optics）和热控系统（thermal management）。除LED以外，电路、光学及热控亦自成体系又相互交叉，被广泛应用于其他电子产业，在与LED核心技术高度集成的同时，保持了相对的独立性。
图4是美国应用材料公司（Applied Materials Inc）所绘LED产业链及相应工艺难点，其中基板衬底、荧光粉及热沉均属于技术难度高的关键环节。
为了更好地理解LED技术的生态系统，可以把LED产业分为4个不同的区域。第一区域是制造LED器件本身，包括制造晶圆、LED芯片、LED封装等。这一部分是整个LED产业的基石，因而竞争非常激烈，这一区域包括了几乎所有的顶级LED厂商，如科锐（Cree）、日亚化学（Nichia）、欧司朗（Osram GmbH）、飞利浦（Philips）、丰田合成（Toyoda Gosei）、首尔半导体（Seoul Semiconductor）等公司。另外，一些液晶电视制造商，例如台湾的奇美和友达光电公司近年来也加入到该区域，而成了LED器件的制造商。
第二区域是制造对LED器件至关重要的外围材料和元件，如荧光粉、封装材料、驱动器、控制器和热管理组件等。这一区域中的公司包括一些在第一区域的公司，但也包括一些只提供外围材料和元件的其他公司。
第三区域的公司通常只为其他LED公司提供设备和工具，从晶圆和芯片的制造设备到测试和测量设备。这些公司往往不涉及LED产业的其他区域。
在第四区域的是系统集成公司，他们制造以LED为基础的系统，诸如液晶电视、 、手提电脑、交通灯、灯具、加装灯泡、汽车灯组件、传感器、通信系统以及医疗设备等。这一区域的公司可以蔓延到几乎所有需要光源的行业，并且公司数目还在不断增长。在这部分领先的公司包括通用电气、西门子、飞利浦和霍尼韦尔（Honeywell）等。
为增强企业竞争力及行业话语权，立式整合，即基于企业核心竞争力分别向上下游产业链扩张是比较流行的企业运作方式，其中以Cree公司为代表。
2.3 LED全球产业链布局及代表性企业
基板 上、中游 下游
美国SiC基板：Cree
日本SiC基板：ROHM 参见SiCrystal AG主页消息：As of July 16, 2021, SiCrystal AG operates as a subsidiary of Rohm Co. Ltd.

美国Al2O3基板：Bicron、Honeywell
德国：Osram (欧司朗)
荷兰：Philips Lumileds

日本 Al2O3基板：京瓷、Shinkosha信光社
美国：GE
日本：Nichia日亚、Toyoda Gosei丰田合成、ROHM
台湾 Al2O3基板：Sino-America silicon中美硅晶、Waferworks合晶科技
韩国：Seoul Semi首尔半导体、SAMSUNG三星、LG Innotek
日本GaAs基板：Sumitomo、Hitachi Cable、Shinetsu
台湾：Epistar晶电、Arima华上、FOREPI璨园、Tekcore泰谷、Huga Optotech 广镓、Epi-Valley鼎元、新世纪
美国：Avago
SiC基板：Infleon N-Crystals、PWAM厦门、天科合达、II-VI Inc、Dow Corning Dow Corning announced that it will begin production of 100mm silicon carbide (SiC) epitaxy,

、Nippon Steel
日本：Toshiba、Citizen Watch、Stanley
AlN基板：-
台湾：Lite-On光宝、Everlight亿光、Ledtech华兴、Harvatek宏齐、BrightLED佰鸿、Unity东贝、Taiwan Oasisl绿洲科技、AOT先进开发、Ligitek立碁、Kingbright今台、Lighthouse凯鼎、Edison艾笛森
GaN基板：Kyma
大陆：厦门三安、南昌欣磊
设备及重要原材料供应
蓝宝石晶体生长设备
CrystalTech（HK）
MOCVD外延设备
Aixtron/Thomas Swan (GR)
Vecco (US)
Taiyo Nippon Sanso (日本酸素)
固晶/打线/封胶
ASM Pacific （HK）
荧光粉
Nemoto (JP)
Osram (GR)
Iricon (HK)
Kasei Optonix ()
Philips Lumileds
Toyota Gosei (JP)
Intermatix (US)
Daejoo (KS)
韩国：AUK、Ninex
大陆：NeoNeon (香港)、佛山国星、厦门华联、江西联创