LED原理与产业概况.docx

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LED原理与产业概况

◤發光二極體原理與產業概況◢

█發光二極體原理與製作簡介

發光二極體（LightEmittingDiode,LED）係以III-V或II-VI族化合物半導體（GaAs,GaP,AlxGa1-xAs,ZnSe…）為材料，所做成具有發光功能（LightEmitting）的P/N二極體。

其發光的原理為在順向的偏壓下，使N型與P型半導體的電子、電洞結合，因電子轉換能階產生過剩的能量，並釋出光子而發光，經過電源的電流不斷的補充電子和電洞，給N型與P型半導體，使得「電子、電洞結合而發光」持續進行，並使LED不斷的發光。

由此原理可知，LED靠電子能階轉換發光的原理不同於傳統白熾燈泡靠熱能發光的原理，故LED為一種冷光發光元件。

相較於靠熱能發光的白熾燈泡，LED的優點有：

發熱量少、壽命長、耗電量少、單色光發光、反應速度快、耐衝撞、耐天候性佳、體積小、易小型輕量化等等。

在可見光的領域中，初期與目前主要的應用上，LED都是以取代小型白熾燈泡切入各應用市場（如家電產品、資訊產品、通訊產品之指示燈、背光源等等），之後高亮度產品開發完成並商品化，更擴大其應用領域，如汽車第三煞車燈、大型戶外看板等等，近年來高亮度InGaN材料系列產品開發，促成高亮度白光LED的實現，在可預見的未來，LED將應用在照明領域，被視為照明市場的重大革命。

LED的製作過程如圖2-1所示，首先要製作半導體晶棒，切成特定晶格方向的單晶片，經過研磨拋光而成為可供成長磊晶片（EpitaxyWafer）的基板，接著在基板上長N型半導體磊晶層和P型半導體磊晶層，而成為P/N二極體磊晶片，在實際應用中為了提高發光效率，磊晶層往往不只兩層較複雜的結構甚至設計至上百層磊晶層，磊晶層的結構通常為專利所在。

在國內的發光二極體產業稱磊晶片以前的製作為「上游」，目前國內LED上游業者多僅在其中磊晶膜成長的領域。

接下來的製程需在磊晶片的頂面鍍上金屬，並透過光罩蝕刻和熱處理製作電極，而後將基板磨薄並拋光，其目的在去除磊晶在基板背面沉積的殘餘物，並可提高晶粒切割的良率，接著在基板上鍍上另一金屬電極，而後切割成寬度約0.2~0.35mm的晶粒，就成了發光二極體晶粒（LEDChiporDice），從磊晶片到晶粒的製程稱為「中游」。

最後依各種不同的應用將發光二極體晶粒封裝成形狀不同的發光二極體燈泡（LEDLamp），並可應用在不同的領域，從晶粒到燈泡的封裝製程便稱為LED產業的「下游」。

圖2-1LED製作過程

█發光二極體的應用

根據LED所發出不同的波長與特性，可將LED分類誠如表2-1所示，如前所述LED所發出的可見光可做為家電、資訊、汽車、照明設備的指示、背光源、照明等用途上，短波長紅外線LED則可作為紅外線無線通訊（IrDA）或一般遙控器使用，長波長紅外線LED則可使用在中、短距離的光纖通訊上。

表2-1LED分類及用途

根據美國StrategiesUnlimited的預測，由於高亮度化合物半導體材料開發陸續有相當的進展，大大提昇LED亮度並擴大應用範圍，高亮度可見光LED應用市場1998~2003年的複合平均年成長率將達23%，如表2-2所示。

其中1999年可見光LED應用最大的市場在顯示板上，約佔市場的25.1%，其次為電腦/OA設備、通訊設備、消費性產品等應用上，未來到2003年以前，電腦/OA設備、號誌以及照明將為成長性較快的應用領域。

儘管照明市場為往後LED最重要的應用領域，但由於產品尚未十分成熟，2003年以後才會有較為明顯的市場，但該應用領域的發展潛力卻十分驚人，1999~2003年每年以116.7%的複合成長率快速成長。

表2-2可見光應用市場預測

紅外光LED的發光功率比可見光來得大，常被應用於通訊及感測器領域。

近年來由於家電產品的遙控器市場趨向飽和，遙控器需求成長有顯著下降趨勢，紅外光LED於是轉往無線通訊的領域發展，再加上近年來區域網路的興起，通訊用的LED將有可能被廣泛使用，尤其是電腦產品的數據傳輸領域。

因此，在美國紅外線數據傳輸協會制定無線數據傳輸模組（IrDA）的協定後，IrDA快速、可靠安全、干擾小的優點，使得IrDA成為短距離電腦無線數據傳輸的一項利器。

在無線數據傳輸蓬勃發展的趨勢下，IrDA與藍芽一樣備受注目，雖然IrDA具有對準角度小、不能有障礙物等缺點，但其可靠安全、干擾小的特性可望成為與藍芽互補共同存在的無線數據傳輸技術，加上IrDA投資門檻較低、授權金小，十分有利於電腦週邊產品裝置使用，未來對LED業者而言是一大商機。

紅外光LED因功率較大，亦被用於取代雷射二極體在光纖通訊與印表機的用途上，其中LED用於建築物的短距離光纖通訊發射、接收用途，因時候未到而尚無明顯市場，而用於印表機的紅外光LED則備受矚目，但LED光源印表機在追求高解析度上仍需要相當時間發展，目前紅外光LED的印表機仍無明顯市場。

儘管高功率的紅外光LED尚在發展階段，未來在「光纖到家」與紅外光LED印表機解析度漸增的趨勢下，仍不失為LED產業的一大商機。

可見光LED自推出藍光LED產品而達成全彩化後，發展方向除既有顯示、指示、背光源等用途外，結合全彩化、影像之各類多媒體電子產品亦為另一重要發展方向，如全彩掃描器、傳真機、印表機所用LED光源，以及全彩背光模組、大型LED全彩資訊顯示幕‧‧‧等，均為極重要的產品，另外高亮度四元化合物（如AlGaInP等）LED、高亮度藍、綠光LED結合LED本身小、省電、壽命長、可靠等優異特性，亦使各類重要的新興應用日漸蓬勃，成為各國極力推動中或受矚目之焦點。

例如與汽車安全息息相關之第三煞車燈、可節約能源並大幅提昇道路交通效率的各型道路資訊顯示幕與交通號誌，與省電、小型、長壽命之各類白光LED室內照明應用，及短波長光源用於醫療、食物處理、溫室栽培等等各類新興應用，均使GaN高亮度藍綠光與四元化合物高亮度LED，成為未來極為重要的光電元件。

MobileComputing、行動通訊（MobileCommunication）以及Portable結合影像之多媒體資料傳輸等電子產品發展趨勢，除使LED單色、多色及全彩光源近年需求量激增外，亦使得以高功率紅外光LED製作之IrDA紅外線傳輸模組，成為筆記型電腦、PDA等多項產品之必須基本配備。

持續成長之光纖通訊應用，亦將使長波長紅外光LED市場穩定成長。

全球通訊市場持續成長，使得以化合物半導體為主要材料之微波通訊用高速型、功率型...等電子元件，未來應用空間與市場成長速度，甚受眾人矚目，故可生產LED、LD、太陽電池、微波通訊元件...等多種元件之各類化合物半導體材料與元件，亦成為各先進國家大力投入之發展方向之一。

LED產業的基礎架構將成為未來太陽電池、微波通訊元件...等多種元件之各類化合物半導體材料與元件的發展基礎，目前由國內LED上游廠商紛紛進一步往微波通訊磊晶片與太陽電池等方向發展便可推敲出端倪。

█發光二極體的市場規模

根據工研院光電所的調查（2000/4）顯示，2000年全球可見光發光二極體的銷售值預估為1,956百萬美元，紅外線發光二極體的銷售值為1,513百萬美元，全球市場2000年到2002年的年平均複合成長率，可見光LED為7.6%，紅外線LED為6%。

其中高亮度LED之年平均複合成長率為23%，成為全球LED產業成長的主動力。

但高亮度LED1999~2000年平均單價下滑20%，再加上高亮度的許多應用尚在起步階段無法短期內快速成長，因此導致近年來全球LED產值的成長有些不如預期，然而長期而言高亮度LED產品的貢獻，將使整體LED應用領域由指示、顯示進入特殊及一般照明，並使產業規模前景迅速擴大。

圖2-2全球可見光LED與紅外線LED市場規模

█台灣LED市場現況、規模與產業結構

2000年國內發光二極體產業起伏不定，經歷過1999年的黯淡時光，2000年Q3以前因景氣好轉與手攜式產品熱賣所帶動的LED需求，使得國內LED廠商著實過著一時的好光景，不僅廠商對2000年的成長預測相當樂觀，連帶使得中上游產品漲價的傳聞不斷，然而2000年Q4受到通訊與資訊產品面臨庫存調整的壓力，LED的景氣急轉直下，國內LED產業像是提早預知全球景氣即將下滑似的，各個廠商營收在10月份提前下滑，一直到目前（2000/5）LED廠商才開始逐漸恢復元氣，國內LED產業與全球經濟景氣連動性由此可見一般。

根據工研院光電所的調查顯示，1999年國內發光二極體總產值約新台幣235.9億元，較1998年成長9.3%，其下游封裝產業產值約新台幣175億元，上中游晶片晶粒製作的產值約60.9億元分別較1998年成長10.8%與5.4%，預估從200年到2002年的複合年成長率，下游將為11.7%，上中游將為12.5%。

圖2-3國內LED的產值與預測

自1975年台灣第一家LED封裝廠-台灣光寶電子成立之後，台灣至1998年其可見光LED下游產值已達世界市場第二位（18%佔有率），奠定日後台灣LED產業的基礎，1996年國內開始成立四元高亮度上游磊晶與晶粒製作公司，如國聯、晶元、全新等，台灣LED產業才逐漸構成一個完整的上中下游產業結構。

近年來，由於上游磊晶及中游晶粒技術成熟且看好未來高亮度及藍、白光市場，1998下半年開始陸續有多家磊晶廠商成立，初期定位在高亮度上中游市場發展，隨後陸續又有數家中上游廠商成立，使得近年來國內高亮度LED市場競爭相當激烈。

圖2-4我國LED產業結構

經過4~5年量產技術與專利的檢驗，國內高亮度LED廠商僅剩3家在量產與技術上能嶄露頭角，分別為晶元光電、華上光電與國聯光電，未來國內其他高亮度LED中上游廠商若不在量產技術與專利權上有所突破，勢必將走向不適者淘汰之路。

而晶元光電不論在量產規模、研發技術與專利權、以及銷售通路上儼然已成為國內LED產業的領導廠商，未來即將是國內中上游廠商整合過程中最後的贏家之一，其專利技術優勢與成功的行銷策略將使晶元光電未來成為國內LED產業最耀眼的廠商。

◤高亮度（HighBrightness）發光二極體的蓬勃發展◢

█高亮度LED市場與需求量

根據StrategiesUnlimited最近的研究報告（2001/4）指出，在過去每年平均成長率超過58%的高亮度LED市場，2000年的全球市場規模已高達12億美金，已經佔有整體LED市場的42%（1999年約僅30%），未來5年仍將以每年23%的複合成長率成長，到2005年全球高亮度LED市場規模將達34億美金，因此可見高亮度LED產品對體整LED市場的重要性，未來高亮度LED佔總產值比例將逐年提昇，高亮度LED未來的發展潛力無窮。

圖2-5全球高亮度LED市場預估

根據StrategiesUnlimited稍早的調查顯示（2000/3年，PIDA整理），目前高亮度LED主要的市場包括磷化鋁鎵銦（AlGaInP）的紅、黃光LED與氮化鎵（GaN）的藍、綠光LED，1999年磷化鋁鎵銦的紅、黃光LED全球市場需求量約9.21億顆，氮化鎵的藍、綠光LED全球市場需求量約7.76億顆，而2000年磷化鋁鎵銦的紅、黃光LED市場需求量達12.25億顆，氮化鎵的藍、綠光LED市場需求量達11.64億顆，預計2003年磷化鋁鎵銦（AlGaInP）的紅、黃光LED與氮化鎵（GaN）的藍、綠光LED市場需求量分別成長到29.2億顆與27.04億顆，其復合年平均成長率分別為33.6%與32.4%，成長的速率較傳統一般亮度的LED快許多。

圖2-6全球高亮度LED市場需求量規模

根據StrategiseUnlimited的調查顯示，2000年全球氮化鎵（GaN）的藍、綠光LED市場是由日本的Nichia、ToyodaGosei與美國的Cree、歐洲的OSRAMOptoSemicondutors等廠商所掌握，其中Nichia因專利與技術掌握了高階產品的大部分市場，然而近來越來越有跡象顯示Nichia的專利權即將不是牢不可破的障礙，未來藍、綠光LED勢必因為競爭而快速成長。

美國Cree為全球藍、綠光LED的最大量產廠商（每月供應量高達5千萬顆以上），其特有的SiC單晶基板因具有導電性，因此晶粒面積小，所以雖然其亮度不如Nichia，但其產品具有低成本與單電極打線等優點，已使Cree成為室內用或可攜式產品之藍、綠光LED全球最大的供應商。

根據StrategiesUnlimited的調查顯示，2000年全球磷化鋁鎵銦（AlGaInP）的紅、黃光LED市場主要的供應商有LumiLedsLighting（HP與Philips合資成立公司）、OSRAMOptoSemicondutors、Toshiba、國聯光電與晶元光電，另外其他較小的供應商有Stanley、Sharp、ShowaDenko與台灣為數不少的的新公司。

其中晶元光電2000年以銷售量計算的市場佔有率約28.7%，已成為全球排名第一或第二的四元高亮度LED晶粒供應商。

█高亮度LED應用市場概況

小型液晶顯示器背光源無疑是近兩年來推升高亮度LED市場成長的主要動力，特別是手機的背光源需求，不管是黑白顯示器所需的高亮度單色光源（藍、綠、琥珀、紅等）LED或是彩色顯示器所需的高亮度白光LED，2000年在亞洲市場的需求成長相當迅速，而這股風潮也逐漸擴散到北美與歐洲市場。

藍綠光LED的開發成功，開啟全彩LED的顯示看板應用，而成為高亮度LED相當大的應用市場，主要的應用在於全彩影像顯示及全彩廣告招牌的應用，包括體育場或演唱會的大型顯示幕、廣告招牌等，而大型顯示幕應用興起於亞洲，未來市場的成長將在北美或歐洲，廣告招牌的應用市場將成長於亞洲。

汽車室內照明的應用一直是高亮度發光二極體極力發展的應用市場之一，由汽車儀表板背光源、各項指示燈、室內照明燈、門燈、閱讀燈到第三煞車燈、方向燈與車外警示燈等等都逐漸有高亮度LED的應用，1999年約有42%的歐洲車輛（如VW、Audi、BMW、Mercedes）內裝有LED的儀表板背光源，2000年這個比例更高達60%，根據StrategiesUnlimited的估計，全球的汽車與卡車中32%裝有高亮度LED的第三煞車燈。

未來在環保與輕巧耐用的優勢下，汽車照明用途仍將是高亮度LED極需發展的一個市場。

從省電與穩定度高的角度來考量，未來全球交通號誌燈使用LED應是將來一個發展的趨勢，特別是LED的交通號誌幾乎比同樣效果的白熾燈泡省了80%的電力，例如剛發生電力危機的美國加州就計劃改裝境內超過20萬個交通號誌成為LED發光，也難怪自從1995年以來LED交通號誌成長得相當激烈。

論及LED的發展潛力，再也沒有比一般白光的照明市場更吸引人了，全球每年上佰億美金的照明光源市場是每一個LED廠商的最終夢想，雖然LED在產品價格與亮度水準等條件要達到取代一般照明市場可能還須數年之久，但掌握全球70%以上照明市場的三大照明光源廠商Philips、GE、OSRAM分別與光電半導體廠商合資成立了LumiLeds、GELcore、OSRAMOptoSemiconductors，晶元光電與上述三家廠商都保持相當良好的關係，再加上晶元光電持續不斷的研發能力，相信晶元光電在未來一般照明市場將不會缺席。

目前一般照明LED市場逐漸在一些特殊照明利基型市場嶄露頭角，包括一些機械設備用燈、建築與裝飾用燈、零售賣場用燈等等，為以後的一般照明LED市場開啟一條道路，然而目前這些利基型市場僅佔高亮度LED整體市場的3%而已。