半導體光電器件-LED應用-顯示和照明

1、LED0第一章 全球LED應用情況 在過去的5年里，全球LED市場處于快速增長階段，到2008年底，全球LED市場銷售的總規(guī)模達到了89.2億美元，比2007年增長了11.8%。 我們認為，盡管受到金融危機影響，2008年全球LED市場增長率較2007年有所下降但與其他電子器件及集成電路產品市場的個位數(shù)甚至負增長相比，仍然保持了兩位數(shù)以上的快速增長。未來隨著高亮度LED在景觀照明、汽車車燈、大尺寸LCD背光源、LED路燈等應用領域的驅動下，市場還將加速成長。 從全球LED市場來看，中國作為全球電子產業(yè)制造基地，市場規(guī)模近27億美元位居世界第一，市場份額為27.7%，其次是美國，市場規(guī)模為16.

2、9億美元，市場占比為17.4%，歐洲緊隨其后，市場占比為16.6%，在亞太地區(qū)日本和韓國也有較大的份額，市場占比分別為11.9%和6.2%。1圖：全球LED市場規(guī)模和未來預測2圖：2008年全球主要國家LED市場占比3日本：LED產業(yè)領域的傳統(tǒng)霸主 日本是LED產業(yè)領域的傳統(tǒng)霸主，其在LED市場中最大的優(yōu)勢在于技術領先。近年來，日本在大力提升LED產品技術的同時，也積極發(fā)展LED在照明市場中的應用。2008年，日本LED照明推進協(xié)議會(JLEDS)公開了照明器具用高功率白色LED的技術開發(fā)藍圖，分別提出了白色光普通產品(高效率型)、高演色型產品以及燈泡色產品(燈泡色型)截止到2020年的發(fā)光效

3、率目標。關于LED照明的應用問題，技術開發(fā)藍圖預計，隨著LED發(fā)光效率超過100lm/W，2010年前后LED照明將逐步進入以商業(yè)設施為中心的應用市場，并逐步得到普及。而對于辦公室照明和住宅領域的照明，預計隨著光質的逐步改善，2015年前后，LED照明有望得到普及。4美國：專利技術居于產業(yè)鏈高端 LED產業(yè)在專利和技術方面，居于產業(yè)鏈高端。2008年美國市場在全球的比重為17.6%，排名第二。相比于日本的LED路燈的應用力度，美國更多的是在景觀照明和裝飾方面，例如2008年，盡管美國經(jīng)歷了嚴重的金融危機，但是美國各州政府、聯(lián)邦政府以及美國著名的廣場在圣誕節(jié)期間都布置了采用LED裝飾的LED圣誕

4、樹以及LED圣誕裝飾燈飾。除此之外，美國家庭對于LED圣誕裝飾燈飾的接收程度也在逐步提升，除此之外，由于LED本身具有光指向性，又可設計在層架板下方，使冷藏柜內照度更均勻，近年來有擴大取代傳統(tǒng)熒光燈管，被應用到冷藏/冷凍柜低溫照明系統(tǒng)之勢，在Price Chopper和Wal-Mart等零售巨頭的帶動下，LED低溫照明市場在美國也得到了較快的發(fā)展。 隨著美國“國家半導體照明研究計劃”進入尾聲，美國能源部在2007年底頒布法令，規(guī)定從2012年1月到2014年1月間，美國要逐步淘汰40W、60W、75W及100W白熾燈泡，以節(jié)能燈泡取代替換，屆時LED節(jié)能燈在美國照明市場的應用將得到廣泛普及。5

5、歐洲：LED企業(yè)在照明市場實力較強 LED企業(yè)在照明市場中都具有較強的實力，2008年歐洲LED市場在全球占比為16.9%，排在第三。在歐洲，除傳統(tǒng)的景觀照明外，歐盟委員會決定在2011年前各種新型的機動車配置專門的日行燈，LED在汽車中的應用將更加廣泛。相比日本和美國，歐洲在半導體市場照明方面也有很快的發(fā)展，歐盟已經(jīng)從2009年9月起禁止銷售100瓦傳統(tǒng)燈泡，2012年起禁用使用瓦數(shù)的傳統(tǒng)燈泡。歐盟將于2009年9月起禁止銷售100瓦傳統(tǒng)燈泡，2012起禁用所有瓦數(shù)的傳統(tǒng)燈泡，因此，可以預計LED節(jié)能燈在歐洲市場將預先啟動。6中國：多重應用全面開花 中國作為全球最大的電子產品生產基地，LED

6、市場規(guī)模位居全球首位，2008年市場份額約占全球的27.7%。目前，中國LED已經(jīng)從最初儀器儀表的指示燈像高端市場邁進，2008年，中國顯示屏用LED已成為最大的應用市場，進入2009年，國慶60周年慶典以及上海世博會對戶外顯示的需求進一步加大了LED在顯示屏市場的需求。2008年以來，隨著LED在NB和LCD TV背光領域的快速滲透，LCD面板背光用LED市場也獲得很快發(fā)展。此外，國家還出臺相關政策鼓勵半導體照明市場的發(fā)展，預計接下來的幾年，照明領域將成為中國LED市場增長的重要驅動力。7圖：2008年中國LED市場應用結構（按銷售額劃分）8第二章 中國高亮度LED市場前景9高亮度LED仍是

7、主流 普通亮度LED指光強小于100mcd的LED，主要用于指示燈和文字顯示；高亮度主要指光強介于100mcd和10cd之間的LED；超高亮度LED指光強大于10cd的LED。 從2008年中國LED市場亮度結構分布來看，高亮度和超高亮度LED市場占比超過80%，這和中國LED市場多元化應用有直接關系。未來幾年，中國高亮度和超高亮度LED市場占比仍將擴大，普通亮度LED市場占比則會逐步被壓縮。10圖：2008年中國LED亮度結構（按銷售額劃分）11國家政策支持中國LED產業(yè)發(fā)展半導體照明節(jié)能產業(yè)規(guī)劃意見 2009年10月13日，國家發(fā)改委發(fā)布了半導體照明節(jié)能產業(yè)發(fā)展意見，旨在推動我國半導體照明

8、節(jié)能產業(yè)健康有序發(fā)展，培育新的經(jīng)濟增長點及促進節(jié)能減排。意見指出，到2015年，半導體照明節(jié)能產業(yè)產值年均增長率在30左右。發(fā)展目標：產品市場占有率逐年提高，功能性照明達到20%左右，液晶背光源達到50%以上，景觀裝飾等產品市場占有率達到70%以上；企業(yè)自主創(chuàng)新能力明顯增強，大型MOCVD裝備、關鍵原材料以及70%以上的芯片實現(xiàn)國產化，上游芯片規(guī)模化生產企業(yè)3-5家；產業(yè)集中度顯著提高，擁有自主品牌、較大市場影響力的骨干龍頭企業(yè)10家左右；初步建立半導體照明標準體系；實現(xiàn)年節(jié)電400億千瓦時，相當于年減排二氧化碳4000萬噸?？萍疾俊笆侨f盞”計劃實施12國家政策支持中國LED產業(yè)發(fā)展 200

9、9年，在國務院常務會議上，半導體照明被列入推廣擴大內需的產品之一，借助科技部實施的“十城萬盞 ”示范工程，來實現(xiàn)半導體照明產業(yè)的戰(zhàn)略目標。具體目標是：至2010年，在全中國完成50個半導體照明示范城市建設工作，應用200萬盞LED市政照明燈具。而LED器件國產化比例目標為70%，預期年節(jié)電達10億度。到2015年，半導體照明進入30%通用照明市場。預期年節(jié)電1400億度，并且?guī)影雽w照明產業(yè)規(guī)模達到人民幣5000億元。13關鍵技術進一步突破，高端產業(yè)化進程有所加快 2008年以來，在奧運會、世博會等政府大型項目的帶動下，中國企業(yè)LED產品技術創(chuàng)新與應用開發(fā)能力得到快速提升，關鍵材料和器件研究

10、取得突破性進展，其中晶能光電的“硅襯底發(fā)光二極管材料與器件”產業(yè)化項目就是典型代表。中國LED芯片企業(yè)已經(jīng)從2004年的30家發(fā)展到現(xiàn)在的60多家，并且這一速度還在加快。14產品成本降低加速市場多元化應用LED顯示屏應用已成規(guī)模，未來仍將穩(wěn)定成長 LED顯示屏在中國發(fā)展速度非常迅速，從初期的幾家企業(yè)、年產值幾千萬元人民幣發(fā)展到目前超過150家企業(yè)、年產值幾億元人民幣，產品應用領域涉及金融證券、體育、機場、鐵路、車站、公路交通、商業(yè)廣告、郵電電信等諸多領域。隨著技術的發(fā)展，顯示屏市場已經(jīng)從原來單一的文字顯示發(fā)展到圖像的全彩顯示，2008年以來，由于奧運會、60周年國慶以及上海世博會等大型活動的刺

11、激，中國各大城市掀起了戶外廣告顯示熱潮，隨著中國二三級城市在戶外顯示領域的投入，未來該市場還將保持穩(wěn)定成長。LED交通信號燈替換速度加快 以LED為光源的交通號燈則有抗震耐沖擊、反應速度快、節(jié)約能源、壽命長等優(yōu)點15產品成本降低加速市場多元化應用近兩年，在中國的許多城市，如北京、上海、重慶、南京等都將傳統(tǒng)光源的信號燈更換成以LED為光源的號燈。在中國尤其在一些經(jīng)濟發(fā)達，設施經(jīng)費比較充足的地區(qū)，更換的情況尤為明顯。隨著內地城市暢通工程的實施，LED替代傳統(tǒng)光源信號的等速度將明顯加快，從而推動該市場的快速發(fā)展。車用LED發(fā)展空間優(yōu)勢明顯 超高亮度LED可以做成剎車燈、尾燈和方向燈，也可用于儀表照明

12、和車內照明，它在耐震動、省電、長壽命方面比白熾燈具有明顯的優(yōu)勢。用作主剎車燈，它比白熾燈反應速度快得多（LED為60ns，比白熾燈的140ms要縮短許多），從而使得汽車高速公路上行駛，會增加46米的安全距離。近兩年，中國汽車產業(yè)快速發(fā)展，2009年中國汽車產量有望達到1200萬輛，而且中高檔汽車比重越來越高，LED在汽車市場的應16產品成本降低加速市場多元化應用用有很大的上升空間。大尺寸LCD背光源市場異軍突起 從2007年開始，LED逐步替代CCFL作為大尺寸LCD面板背光源進入市場，市場專業(yè)研究機構DisplaySearch數(shù)據(jù)顯示，2009年第三季在筆記型電腦市場，采用LED背光源的比例

13、將首次超越CCFL背光源，達53%。此外，該機構還表示用于液晶電視的LED背光滲透率將從2009年的3%增長到2013年的40%，將于2014年超過CCFL背光源，并且滲透率將超過50%。截止2009年8月份，中國NB出貨量已達8809萬臺，液晶顯示器和液晶電視的產量也分別達到7987萬臺、2574萬臺。未來幾年，隨著以上整機產量的增加和LED滲透率的不斷提升，LED背光源在大尺寸LCD面板中的應用將全面開花?？梢灶A見，在接下來的幾年LED在大尺寸LCD背光源的應用仍將處于高速增長期。17產品成本降低加速市場多元化應用照明市場蓄勢待發(fā) 節(jié)能減排顯然已成為我國乃至全球的共同呼聲，而半導體照明產業(yè)

14、作為新一輪高科技產業(yè)發(fā)展的焦點，被譽為全世界最有機會、最受追捧的產業(yè)。業(yè)內普遍認為，只有當白光LED發(fā)光效率突破100lm/W，LED就有望進入普通照明市場，從目前來看美國的Cree已經(jīng)生產了數(shù)百萬個100流明以上的照明級LED燈，與此同時國內的企業(yè)也在積極加緊研發(fā)室內照明級LED燈。未來幾年，隨著技術不斷進步，成本持續(xù)降低，LED進入照明長期市場障礙已不大，半導體照明市場正蓄勢待發(fā)。18市場將進入新一輪高速發(fā)展期 以上論述有力支撐著未來中國LED市場的快速增長，主要的亮點是LCD背光源用LED在未來五年中市場增長率將呈現(xiàn)逐年快速增長的趨勢，這主要是由于LED將由小尺寸逐步過渡到NB、LCD

15、TV等大尺寸中，市場發(fā)展由于增添了新的亮點應用而進入新一輪高速發(fā)展時期，到2012年，中國LED市場規(guī)模降接近500億元人民幣。19圖：2008-2012年年中國LED應用結構（按銷售額劃分） 20LED市場應用現(xiàn)狀與前景分析 場應用仍以手機為主，約占高亮度LED 市場比重48%，其次為顯示器與汽車。展望未來5年，照明、汽車和顯示器用背光源市場將是LED需求的主要增長點。 21圖：高亮度LED與傳統(tǒng)LED市占率對比22圖：2007年高亮度白光LED發(fā)展趨勢23第三章 技術要點分析 24LED光源面臨高價格、低功率的難題 我們評價一個光源，一般需要看幾個特性：功率，光效，光線特性，價格。功率是指

16、光源的常用輸入功率，比如100W的白熾燈，是指其輸入功率是100W。每種光源都可以覆蓋很大的功率范圍，這里我們只對比常用的功率范圍。 光效是光源把電能或者其他輸入轉化為光能的能力，光能我們用光通量作為評價標準，這個效率的單位就是 (流明/瓦特)，表示光源把每瓦能源轉化為流明的能力。 光線特性是指光源的顏色，發(fā)光面積，光線發(fā)散角等特性。光線特性經(jīng)常會決定一種光源的應用范圍，比如激光的方向性好，可以用于測距，而熒光燈發(fā)散性好，適合室內照明等等。 價格因為不同的功率相差很大，我們取每1000流明需要的價格來做一個粗略的對比。 從這個表可以看出，LED除了在光線特性和其他特性上略占優(yōu)勢之外，在功率，價

17、格25LED光源面臨高價格、低功率的難題 方面可以說完全處于劣勢。尤其是價格，這個是限制LED目前應用范圍的最致命因素。功率的限制導致LED不能用于大范圍照明，比如機場，工地，甚至室內照明方面，LED也不能和熒光燈相提并論 26表：不同光源類型性能對比27高功率下如何保持高光效 單純的光效并不具有參考價值，因為隨著功率增長，LED的光效是在不斷下降的。lumileds的產品在300mA以下，光效可以超過60流明/W，但是當驅 動電流達到700mA，光效驟然降低到了3040流明/W。事實上，市面上在銷售的5mm高亮白光LED，其中優(yōu)秀的產品，光效可以達到100流明 /W，超過任何的大功率產品，但

18、是那是在驅動電流僅有5mA的微弱功率下，當驅動電流增長，光效急劇跌落。 在大功率領域，LED的高溫性能一直是一個難以解決的問題，隨著溫度的升高，LED的光效不斷下降，其壽命也隨之大幅度縮短。 28如何解決散熱問題 LED的失效形式，除了物理破壞，反向擊穿等之外，主要是熱損壞，這使得對LED的保護主要集中在散熱上。 傳統(tǒng)光源如白熾燈、放電燈均靠將發(fā)光體加熱到一定溫度后才能產生輻射，高溫是發(fā)光的前提條件，例如白熾燈需將鎢絲加熱到2800或更高(鹵素燈)，這時鎢絲將輻射大量的紅外線、可見光和少許紫外光，加熱功率中輻射以外的能量余留在燈本身使之保持高溫，這部分能量不足輸入功率的50%，而它正是保持發(fā)光

19、體以適當溫度，維持發(fā)光所必須。而熒光燈則以70%以上的輸入功率轉化為紫外光及可見光，紫外光則經(jīng)熒光粉轉化為可見光，總輸功率的30%留在在燈中用于維持燈的最佳工作溫度和最高發(fā)光效率。 LED是在n型半導體中的自由電子越過阻擋層進入p型半導體，與并其中的空穴復合時全部勢能轉化為光能，同時產生一個光子，這是一種冷體發(fā)光，由于此種發(fā)光的總量子29如何解決散熱問題效率50%，輻射光能以外的全部能量包括電流通過n型和p型半導體以及阻擋層時的電阻熱以及電子自身的動能等均耗散在半導體中并集中阻擋層附近使之加熱，造成p-n結的溫升，而這種溫升使阻擋層電阻下降，勢壘下降，降低了載流子復合的內、外量子效率和發(fā)光效率

20、。p-n極的高溫同時還影響了熒光粉的發(fā)光效率甚至造成永久性破壞產生光衰，并使原本應當很長的LED壽命大幅下降。 發(fā)熱特性一直是LED照明的致命弱點，它是造成光衰加快和壽命縮短的主要原因。人們用了很多方法來加快散熱，比如鋁質外殼、吹風結構、增加散熱面積等，也有運用定電流控制的手法來轉嫁熱能,但具有電源成本提高、使用壽命縮短、照明控制不靈活等缺點。 在高功率下解決散熱和延長LED壽命主要有以下幾條途徑： 30如何解決散熱問題進一步提高LED的總光子效率，這一效率的提高意味著更多能量轉換為光能輻射出去，耗散在p-n結的能量的減少工作溫度降低，這對p-n極自身的工作狀態(tài)和熒光粉工作條件和壽命的延長都是

21、至關重要的。 LED是利用載流子復合發(fā)光的。在電子與空穴復合時其勢能轉化為光量子，這些光量子直接向外輻射時可能成為輸出光，而向內或向四側輻射的部分則將被吸收轉化為熱能，即使向外輻射的光子也將有部分為輸出窗吸收或為其內表面反射后再吸收，最后成為內部熱耗。所以LED的光效不僅決定于其內光子效率(即其輸入能量轉化為光子能量的效率)，而且與光子提取率即外光子效率直接相關。 進一步改進熒光粉，提高其量子效率和所能承受的工作溫度，亦即發(fā)明一種高效高工作溫度熒光粉，使能在更高的工作溫度下運轉而不被破壞。 31如何解決散熱問題白光LED不僅存在如上所述的載流子復合的光量子效率和光量子提取率的問題，而且有輸出光

22、子與熒光粉作用轉換為新光子的內、外量子效率問題，如何選擇LED的發(fā)射波長，尋找最佳匹配的高效熒光粉以取得最大光量子轉換效率和光量子輸出率，從而保證高的發(fā)光效率也是白光LED的關鍵問題，這一問題仍有大量工作需要完成而這也正是減緩LED發(fā)熱問題的關鍵。 運用特殊散熱填料來確保LED焊點和外殼之間的熱量流通，散熱填料的要求很高,它必須具有很強的導熱性和耐熱性。 32高功率下提升單芯片光效成為業(yè)界廠商的競爭焦點 2008年7月份，Osram宣布了最新的研發(fā)成果，大功率LED在350mA驅動下，光輸出達到了155流明，效率高達136流明/瓦，色溫是5000k。Osram把這個成果歸功于高度優(yōu)化的芯片技術

23、，和先進的熒光粉技術，以及高效的封裝技術完美結合。Osram已經(jīng)把這些相關的技術申請專利。 2008年11月，美國LED大廠Cree發(fā)布了大小為1 mm1 mm高功率白光LED，在電流為350mA的高功率和室溫下，其發(fā)光效率可高達161 lm/W。對于這項新記錄，Cree表示這是芯片與封裝技術提升的結果。該公司表示，他們即將生產這種具有紀錄優(yōu)勢的LED，將持續(xù)在生產過程中導入創(chuàng)新技術，預期一年內將開始量產這種高效能的LED。 對此，Cree向美國專利商標局（USPTO）申請的20080272386號專利，已于11月公開，內容是使用激光剝削或切削（laser ablation or sawing

24、）技術直接在碳化硅（SiC）33高功率下提升單芯片光效成為業(yè)界廠商的競爭焦點基板上刻出凹槽（(trenches)，再利用旋轉涂布法將半導體納米晶體或螢光粉等螢光材料填入凹槽中，在凹槽間形成一個凸面橋，這個方法可以讓白光LED變得更小、更容易制造。這些螢光填充物能把SiC基板上的GaN LED所發(fā)出的窄頻域藍光，轉換成寬帶譜的白光。專利發(fā)明人Peter Andrews指出，與目前將LED置于杯狀基座（submount）中并以光轉換材料封裝的技術相比，在基板上刻蝕出凹槽是一大進展，因為前者會限制白光LED的最小尺寸。為了協(xié)助光脫離LED，廠商會改變基座的形狀并提高其反射率，而Cree的凹槽設計也有提高光萃取率的作用。 除了傳統(tǒng)LED使用的螢光粉外，在凹槽中引進硒化鎘（CdSe）等半導體納米微晶，也有助于控制發(fā)光波長。Cree建議以噴墨印刷、網(wǎng)印與噴槍應用系統(tǒng)取代常見的旋涂法，將這類新穎材料填入凹槽中。盡管采用新的波長轉換材料并增加了凹槽設計，34高功率下提升單芯片光效成為業(yè)界廠商的競爭焦點 LED裸晶仍保有傳統(tǒng)的標準電極結構，因此可繼續(xù)封裝成LED，或直接那來使用，例如直接被固定在電路板或基板上