LED原理及產(chǎn)業(yè)分類
LED是發(fā)光二極體( Light Emitting Diode, LED)的簡(jiǎn)稱，也被稱作發(fā)光二極管，這種半導(dǎo)體組件發(fā)展以來一般是作為指示燈、顯示板，但目前隨著技術(shù)增加，已經(jīng)能作為光源使用，它不但能夠高效率地直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，而且擁有最長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬小時(shí)～10 萬小時(shí)的使用壽命，同時(shí)具備不若傳統(tǒng)燈泡易碎，并能省電，同時(shí)擁有環(huán)保無汞、體積小、可應(yīng)用在低溫環(huán)境、光源具方向性、造成光害少與色域豐富等優(yōu)點(diǎn)。
隨著白光LED的出現(xiàn)與更多科技的導(dǎo)入，目前在家用電器及筆記本電腦的指示燈、汽車防霧燈、室內(nèi)照明等照明設(shè)備日漸蓬勃，LED的應(yīng)用越來越普遍。
LED的發(fā)明
在1955年時(shí)，美國(guó)無線電公司（Radio Corporation of America）的Rubin Braunstein發(fā)現(xiàn)了砷化鎵（GaAs）與及其他半導(dǎo)體合金的紅外線放射作用，而1962年美國(guó)通用電氣公司（GE）的Nick Holonyak Jr則開發(fā)出可見光的LEDLED。不過，LED真正的起飛是在1990年代白光LED出現(xiàn)后，才開始漸漸被重視，而應(yīng)用面越來越廣。
LED的發(fā)光原理
LED是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子零件，并同時(shí)具備二極體的特性，也就是具備一正極一負(fù)極，LED最特別的地方在于只有從正極通電才是會(huì)發(fā)光，故一般給予直流電時(shí)，LED會(huì)穩(wěn)定地發(fā)光，但如果接上交流電，LED會(huì)呈現(xiàn)閃爍的型態(tài)，閃亮的頻率依據(jù)輸入交流電的頻率而定。LED的發(fā)光原理是外加電壓，讓電子與電洞在半導(dǎo)體內(nèi)結(jié)合后，將能量以光的形式釋放。目前全球產(chǎn)業(yè)所發(fā)展出的不同種類LED能夠發(fā)出從紅外線到藍(lán)之間不同波長(zhǎng)的光線，而業(yè)界也有紫色～紫外線的LED，近年來LED最吸引人的發(fā)展是在藍(lán)光LED上涂上螢光粉，將藍(lán)光轉(zhuǎn)化成白光的白光LED產(chǎn)品。LED之所以被稱為世紀(jì)新光源，原因在于LED具備點(diǎn)光源與固態(tài)光源的特性，能夠節(jié)省能源、高耐震、壽命長(zhǎng)、體積小響應(yīng)快速、并且色彩飽和度高。
LED的顏色：
由于隨著LED的制造材料不同，產(chǎn)生出來的光子擁有的能量也不同，故業(yè)界透過制造材料來控制LED發(fā)光的波長(zhǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生擁有不同光譜與顏色的各種LED。
全球第一顆LED采用的材料是砷(As) 化鎵(Ga)，工作電壓為1.424V，其發(fā)出的光線為紅外光譜。之后，業(yè)界發(fā)展出以磷(P)化鎵(Ga)作為L(zhǎng)ED的材料，工作電壓為2.261V，發(fā)出的光為綠光。業(yè)界早期就透過這2種型態(tài)LED所需的材料，調(diào)配出從紅外線到綠色光范圍內(nèi)所有波長(zhǎng)的LED產(chǎn)品，發(fā)展出常見的紅光LED、黃光LED、橙光LED等等，這3大類LED因?yàn)槭褂昧随?、砷、?種元素，故被稱為3元素LED，而藍(lán)光LED、綠光LED與紅外光LED則被稱為2元素LED。業(yè)界后來發(fā)展出采用混合鋁(Al)、鈣(Ca) 、銦(In)和氮(N)共4種元素的4元素LED，就能夠發(fā)出所有可見光范圍與部份紫外線光譜的光線。
LED的亮度：
在討論LED產(chǎn)品會(huì)看的發(fā)光亮度有3種單位，分別是照度單位勒克司（Lux）、光量單位流明（Lumen；lm）、發(fā)光強(qiáng)度單位燭光（Candle power；CD），3種單位各自有適合使用的領(lǐng)域，但是在數(shù)值上是互通的。
1 CD表示完全輻射的物體，在白金凝固點(diǎn)溫度下，每六十分之一平方公分面積的發(fā)光強(qiáng)度。適合用在主動(dòng)發(fā)光燈具領(lǐng)域，如白熱燈泡。
1 lm表示1 CD光照射在距離為1公分，面積為1平方公分平面上的光量。適合用在反射燈具與穿透燈具領(lǐng)域，如投影機(jī)。
1 Lux表示指1 Lm光量均勻分佈在1平方米面積上的照度。適合用在攝影領(lǐng)域。
一般而言，單一LED的發(fā)光強(qiáng)度以CD為單位，并配上視角參數(shù)，而LED的發(fā)光強(qiáng)度從各位數(shù)mCD到5,000mCD不等。廠商在標(biāo)示LED單一產(chǎn)品時(shí)，其發(fā)光強(qiáng)度規(guī)格是說LED在20mA電流下點(diǎn)亮?xí)r，最佳視角上和中心位置上發(fā)光強(qiáng)度最大點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度。
LED的節(jié)能效益
基于環(huán)保立場(chǎng)以及節(jié)約能源訴求，全球各國(guó)政府重視LED與節(jié)能燈具帶來的經(jīng)濟(jì)與節(jié)能效益，而廠商也看好這次照明革命的商機(jī)而紛紛投入。除了歐盟與美國(guó)國(guó)會(huì)均進(jìn)行階段性禁止白炙燈泡的使用外，目前已經(jīng)有加拿大宣佈2010年全面禁用白炙燈泡，而美國(guó)加州在內(nèi)的部份州，也要在2012年禁止白炙燈泡，而澳洲則宣佈在2010年全面禁止販?zhǔn)郯字藷襞?，中?guó)、日本也有LED的獎(jiǎng)勵(lì)方案在規(guī)劃中。
雖然目前市面上已經(jīng)有另一種節(jié)能燈具產(chǎn)品省電型螢光燈（CFL），但由于其照明品質(zhì)仍舊不夠，啟動(dòng)時(shí)間較一般白炙燈泡長(zhǎng)，而且不能調(diào)整光源輸出亮度，普及度仍不夠高。LED則具備更多的節(jié)能效益，并且藉由技術(shù)的提昇，亮度已經(jīng)達(dá)到讓人滿意的程度，但價(jià)格高昂是一大問題，未來隨著全球LED廠商的量產(chǎn)腳步加快，價(jià)格降低后可加速LED燈具的普及程度。
LED的壽命：
一般LED的發(fā)光壽命很長(zhǎng)，產(chǎn)品大多標(biāo)明為100,000小時(shí)以上，但事實(shí)上LED的亮度是會(huì)衰減的，在運(yùn)用一段時(shí)間后，亮度會(huì)衰撿到原本的一半或甚至更少。但所幸隨著業(yè)界技術(shù)的進(jìn)步，減少LED亮度衰減問題的方案很多。在生產(chǎn)過程中，選用如4元素LEC材料能夠擁有較久的亮度衰減週期，而廠商使用的 LED工藝與成品究竟能耐用多久有很大的關(guān)係，配色也是LED廠的生產(chǎn)關(guān)鍵。
LED的使用壽命，比一般白炙燈泡的1,000小時(shí)、日光燈具的1萬小時(shí)，LED使用壽命可達(dá)5萬小時(shí)，大幅降低燈具替換的成本。這項(xiàng)特性幫助 LED 燈具在價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)上，有了將一般燈泡替換成LED的好理由，更可藉由這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，讓許多原本因經(jīng)濟(jì)考量而不能全天開啟的環(huán)境，藉由LED照明讓公共或私人場(chǎng)所更安全。比如說公共停車場(chǎng)、冰箱等等應(yīng)用范圍，美國(guó)最大零售業(yè)者威名百貨（Wal-Mart），日前就已經(jīng)將該公司的冷凍設(shè)備改採省電的LED產(chǎn)品。
LED較明顯的缺點(diǎn)就是散熱問題，不當(dāng)?shù)纳釋?dǎo)致LED燈具的光度與使用壽命衰減，所幸這部份藉由新技術(shù)的加持，漸漸也有了顯著的改善。
LED的應(yīng)用：
除了我們熟知的各種電子產(chǎn)品上面的LED指示燈外，LED屏幕、LED照明、液晶屏幕用的LED背光源、手機(jī)上按鍵的LED背光、新世代的OLED 屏幕、PLED屏幕等等各式各樣關(guān)于LED的應(yīng)用正逐漸穩(wěn)定的發(fā)展中，部份領(lǐng)域的LED應(yīng)用因?yàn)槭袌?chǎng)發(fā)展趨于成熟，普及的速度開始加快，也無形中創(chuàng)造出驚人的商機(jī)。
目前高亮度白光LED光源，是目前美歐日LED大廠競(jìng)相研發(fā)的重點(diǎn)，預(yù)估到了2011年后，LED將在一般照明市場(chǎng)中大規(guī)模普及。雖然亞洲在 2006年高亮度的生產(chǎn)規(guī)模占全球76％市佔(zhàn)率，不過白光LED光源專利為日本的日亞化（Nichia）和T.G.、美國(guó)的Cree以及歐洲的 Philips Lumileds和Osram五大廠所掌握；中游模組雖無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，但仍為國(guó)際大廠包括National、Laminar、Osram、Lumiled、 Vishay所主導(dǎo)；美國(guó)與日本也開始積極制訂照明應(yīng)用器具安規(guī)及能源標(biāo)準(zhǔn)。
LED現(xiàn)階段最大的應(yīng)用是手機(jī)按鍵的背光源，各種電子展品的指示燈，而最近應(yīng)用在廣告看板的大型LED屏幕，還有應(yīng)用在液晶屏幕的背光源也越來越受到矚目，LED的應(yīng)用面日趨廣泛。預(yù)估在2007下半年可以看到更多LED產(chǎn)品的問世，而2008年LED照明產(chǎn)品能夠進(jìn)一步地下降到部份消費(fèi)者能接受的程度，未來的發(fā)展端看各國(guó)政府積極應(yīng)用LED于公共事業(yè)的速度，可望加速LED價(jià)格的下滑，當(dāng)消費(fèi)者采用的程度也提高，屆時(shí)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能效益很可觀。
LED的全球市場(chǎng)發(fā)展：
在2005年時(shí)，全球高亮度LED市場(chǎng)規(guī)模達(dá)58億美元，2006年達(dá)到66億美元，預(yù)估2011年可增加到106億美元，平均年增長(zhǎng)率（AAGR）為10.2%。高亮度LED的出貨量2005年達(dá)到48億個(gè)，計(jì)2006年增加到65億個(gè)，預(yù)估2011年達(dá)到88億個(gè)，平均年增長(zhǎng)率為 10.3%。2005年LED的基板材料銷售額超過10億美元，2006達(dá)到11億美元，預(yù)估2011年18億美元，平均年增長(zhǎng)率為9.7%。
***方面在2006年的LED照明光電產(chǎn)值為新臺(tái)幣210億元，2010年將提升到930億元，2015年更可達(dá)到5400億元。在上游光源部分，***產(chǎn)量為全球第一，2006年高亮度LED產(chǎn)值不含手機(jī)應(yīng)用高達(dá)新臺(tái)幣150 億元。***上游LED光源產(chǎn)業(yè)居全球重要地位，因?yàn)樵诩t、綠光LED技術(shù)上處于領(lǐng)先位置。下游應(yīng)用***照明生產(chǎn)品質(zhì)佳，價(jià)格與全球通路是優(yōu)勢(shì)。***廠商在液晶面板（LCD）的背光模組全球市佔(zhàn)率達(dá)到48％，故臺(tái)廠藉此切入開發(fā)LED背光模組也是一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，而車用LED產(chǎn)品也被視為重點(diǎn)項(xiàng)目之一。
預(yù)估2007年起LED將可逐步代現(xiàn)有白熾燈，2011年起逐步取代螢光燈。歐盟自2007年起逐步淘汰白熾燈泡，澳洲宣示從2010年起全面禁用白熾燈泡，故LED市場(chǎng)前景十分值得期待。未來5年市場(chǎng)應(yīng)用應(yīng)以LED看板或顯示的背光源、車用與一般照明為市場(chǎng)發(fā)展主力。
LED是通電時(shí)可發(fā)光的半導(dǎo)體材料制成的發(fā)光元件，材料使用III- V族化學(xué)元素（如：磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等），發(fā)光原理是將電能轉(zhuǎn)換為光，也就是對(duì)化合物半導(dǎo)體施加電流，透過電子與電洞的結(jié)合，過剩的能量會(huì)以光的形式釋出，達(dá)成發(fā)光的效果，屬于冷性發(fā)光。
LED最大的特點(diǎn)在于：無須暖燈時(shí)間(idling time)、反應(yīng)速度很快(約在10^-9秒)、體積小、用電省、污染低、適合量產(chǎn)，具高可靠度，容易配合應(yīng)用上的需要制成極小或陣列式的元件，適用范圍頗廣，如汽車、通訊產(chǎn)業(yè)、電腦、交通號(hào)誌燈、液晶面板用背光源、LED屏幕等。
LED產(chǎn)業(yè)主要可以分成上、中、下游三類。上游為單芯片及其外延，中游為L(zhǎng)ED芯片加工，下游為封裝測(cè)試以及應(yīng)用。其中，上游和中游技術(shù)含量較高，資本投入密度大。從上游到下游，產(chǎn)品在外觀上差距相當(dāng)大。LED發(fā)光顏色與亮度由磊晶材料決定，且磊晶占LED制造成本70%左右，對(duì)LED產(chǎn)業(yè)極為重要。
上游是由磊芯片形成，這種磊芯片長(zhǎng)相大概是一個(gè)直徑六到八公分寬的圓形，厚度相當(dāng)薄，就像是一個(gè)平面金屬一樣。常見的外延方法有液相外延法（LPE）、氣相外延法（VPE）以及金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積（MOCVD）等，其中VPE和LPE技術(shù)都已相當(dāng)成熟，可用來生長(zhǎng)一般亮度LED。而生長(zhǎng)高亮度LED必須采用MOCVD方法。上游磊晶制程順序?yàn)椋簡(jiǎn)涡酒?III-V族基板)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)晶成長(zhǎng)、材料特性/厚度測(cè)量。
中游廠商根據(jù)LED的性能需求進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，通過外延片擴(kuò)散、然后金屬鍍膜，再進(jìn)行光刻、熱處理、形成金屬電極，接著將基板磨薄拋光后進(jìn)行切割。依照芯片的大小，可以切割為二萬到四萬個(gè)芯片。這些芯片長(zhǎng)得像沙灘上的沙子一樣，通常用特殊膠帶固定之后，再送到下游廠商作封裝處理。中游芯片制程順序?yàn)椋豪谛酒?a target="_blank">金屬膜蒸鍍、光罩、蝕刻、熱處理、切割、崩裂、測(cè)量。
下游包括LED芯片的封裝測(cè)試和應(yīng)用。LED封裝是指將外引線連接到LED芯片的電極上，形成LED器件，封裝起著保護(hù)LED芯片和提高光取出效率的作用。下游廠商封裝處理順序?yàn)椋盒酒⒐叹?、粘著、打線、樹脂封裝、長(zhǎng)烤、鍍錫、剪腳、測(cè)試。