摘要：LED產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈主要可分四部分：即LED外延片生長、芯片制造、器件封裝和應(yīng)用產(chǎn)品及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)，分為上游、中游和下游。半導(dǎo)體襯底材料、外延晶片的制造是上游產(chǎn)業(yè)，芯片制造是中游產(chǎn)業(yè)，器件封裝及基于LED器件的應(yīng)用產(chǎn)品制造是下游產(chǎn)業(yè)。
引言：發(fā)光二極管（LEDs）的*新進(jìn)展使得照明行業(yè)快速增長。目前，固態(tài)照明技術(shù)逐步滲透到不同細(xì)分市場，如汽車照明、室內(nèi)及室外照明、醫(yī)療應(yīng)用、以及生活用品。
一、LED的市場發(fā)展軌跡
美國能源部*新報(bào)告指出，至2020年，該技術(shù)有望減少照明行業(yè)15%的能源消耗，2030年節(jié)約30%——即光2030年就能節(jié)約261 TWh（太瓦時(shí)）的能量，以當(dāng)前的價(jià)格計(jì)算其價(jià)值超過260億美元，相當(dāng)于美國兩千四百萬家庭目前的能源消費(fèi)總和。此外，這些節(jié)約的能量用于混合發(fā)電廠將減少大概一千八百萬噸CO2溫室氣體的排放。
雖然在很多情況下，這些設(shè)備的初始成本仍然高于現(xiàn)有的光源設(shè)備，但是LEDs更高的效率以及更長的壽命使其具有很強(qiáng)的競爭力。Strategies Unlimited估計(jì)2013年全球銷售出4億只LED燈，McKinsey調(diào)查表明2016年LEDs在全球普通照明市場的份額將達(dá)到45%，2020年將接近70%。到2020年，該領(lǐng)域的市場容量預(yù)計(jì)將從目前的約260億美元提高到720億美元。
LED裝置是一個(gè)復(fù)雜的多組分系統(tǒng)，可根據(jù)特定需求調(diào)整性能特征。以下章節(jié)將討論白光LED及其他應(yīng)用。
1、LED的發(fā)展之路
無機(jī)材料中電致發(fā)光現(xiàn)象是LED發(fā)光的基礎(chǔ)，HenryRound和Oleg Vladimirovich Losev于1907年和1927年分別報(bào)道LED發(fā)光現(xiàn)象——電流通過使得碳化硅（SiC）晶體發(fā)光。這些結(jié)果引發(fā)了半導(dǎo)體及p-n結(jié)光電過程的進(jìn)一步理論研究。
20世紀(jì)50、60年代，科學(xué)家開始研究Ge、Si以及一系列III-V族半導(dǎo)體（如InGaP、GaAlAs）的電致發(fā)光性能。Richard Haynes和William Shockley證明了p-n結(jié)中電子和空穴復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光。隨后，一系列半導(dǎo)體被研究，最終于1962年由Nick Holonyak開發(fā)出了第*個(gè)紅光LED。受其影響，1971年George Craford發(fā)明了橙光LEDs，1972年又相繼發(fā)明了黃光和綠光LEDs（均由GaAsP組成）。
強(qiáng)烈的研究迅速使得在寬光譜范圍內(nèi)（從紅外到黃色）發(fā)光的LEDs實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，主要用于電話或控制面板的指示燈。實(shí)際上，這些LEDs的效率很低，電流密度有限，使得亮度很低，并不適于普通照明。
2、藍(lán)光LEDs
高效的藍(lán)光LEDs的研發(fā)花費(fèi)了30年的時(shí)間，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有可應(yīng)用的足夠質(zhì)量的寬帶隙半導(dǎo)體。1989年，第*個(gè)基于SiC材料體系的藍(lán)光LEDs商品化，但由于SiC是間接帶隙半導(dǎo)體，使得其效率很低。20世紀(jì)50年代末就已經(jīng)考慮使用直接帶隙半導(dǎo)體GaN，1971年JacquesPankove展示了第*款發(fā)射綠光的GaN基LED。然而，制備高質(zhì)量GaN單晶以及在這些材料中引入n-型和p-型摻雜的技術(shù)仍然有待開發(fā)。
20世紀(jì)70年代發(fā)展的金屬-有機(jī)物氣相外延（MOVPE）等技術(shù)對(duì)于高效藍(lán)光LEDs的發(fā)展具有里程碑意義。1974年，日本科學(xué)家Isamu Akasaki開始采用這種方法生長GaN晶體，并與Hiroshi Aman合作于1986年通過MOVPE方法首次合成了高質(zhì)量的器件級(jí)GaN。
另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是p-型摻雜GaN的可控合成。實(shí)際上，MOVPE過程中，Mg和Zn原子可進(jìn)入這種材料的晶體結(jié)構(gòu)中，但往往與氫結(jié)合，從而形成無效的p-型摻雜。Amano、Akasaki及其合作者觀察到Zn摻雜的GaN在掃描電子顯微鏡觀察過后會(huì)發(fā)射更多的光。
同樣的方式，他們證明了電子束輻射對(duì)Mg原子的摻雜性能起到有益的作用。隨后，Shuji Nakamura提出在熱退火之后增加一個(gè)簡單的后沉積步驟，分解Mg和Zn的復(fù)雜體，該方法可輕易實(shí)現(xiàn)GaN及其三元合金（InGaN、AlGaN）的p-型摻雜。
應(yīng)該指出的是，這些三元體系的能帶可通過Al和In的成分進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得藍(lán)光LEDs的設(shè)計(jì)增加了一個(gè)自由度，對(duì)于提高其效率具有重要的意義。事實(shí)上，目前這些器件的活性層通常由一系列交替的窄帶隙InGaN和GaN層以及寬帶系的p-型摻雜AlGaN薄膜（作為載流子的p-端約束）組成。
1994年，Nakamura及其合作者基于n-型和p-型摻雜AlGaN之間Zn摻雜InGaN活性層的對(duì)稱雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首次展示了具有2.7%外量子效率（EQE）的InGaN藍(lán)光LED（框1列舉出了LEDs主要的性能指標(biāo)定義）。
該LED結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1a。這些結(jié)果對(duì)于如今應(yīng)用的LED基照明技術(shù)而言是很關(guān)鍵的，也因此引發(fā)了照明行業(yè)的革命。2014年底，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予Akasaki、Amano和Nakamura，表彰他們“發(fā)明用于照明以及白光源節(jié)能的高效藍(lán)光LED”。
3、LED性能指標(biāo)
量子效率Quantum efficiency：材料內(nèi)量子效率（IQE）為輻射的電子-空穴復(fù)合（即產(chǎn)生光子）數(shù)量與復(fù)合總量（輻射與非輻射）的比值。
該指標(biāo)決定了半導(dǎo)體材料發(fā)光效率。半導(dǎo)體LED性能通常使用外量子效率（EQE）表示，即IQE與提取效率的乘積。提取效率特指產(chǎn)生的光子中逃離LED的部分。EQE取決于直接影響IQE的半導(dǎo)體層缺陷和影響提取效率的器件構(gòu)造。
發(fā)光效率（Luminous efficacy）：發(fā)光效率表示光源發(fā)射可見光輻射的效率，單位一般為lm W?1。光源以單色綠光（頻率為4501012 Hz，對(duì)應(yīng)波長約為555nm，人類眼睛最敏感的光，圖2b為相應(yīng)的眼睛靈敏度曲線）轉(zhuǎn)換100%電能，其最大發(fā)光效率達(dá)到683 lm W?1。
照明用的白光源通常要求有比全部可見光波段更寬的發(fā)射光譜，因此其發(fā)光效率明顯低于其最大值。電能轉(zhuǎn)換成眼睛靈敏度曲線以外的輻射，無法用于照明，本應(yīng)盡可能減小這類輻射。
相關(guān)色溫（Correlated colour temperature）：用于比較不同照明技術(shù)的參比光源是處于熱平衡的黑體輻射。根據(jù)普朗克輻射定律（Planck's law of radiation），黑體白熾燈的發(fā)射光譜取決于它的溫度，相應(yīng)于不同溫度下輻射的色點(diǎn)用CIE圖表示，即稱之為普朗克軌跡（Planckian locus）的黑點(diǎn)曲線（圖2f、h）。
沿著普朗克軌跡的不同位置，白光的相關(guān)色溫（CCT）大致可分為“暖白”（2,500-3,500 K）、“自然白”（3,500–4,500 K）、“冷白”（4,500–5,500 K）以及日光（5,500–7,500 K）。
顯色指數(shù)（Colour rendering index）：顯色指數(shù)（CRI）是一個(gè)無量綱的指標(biāo)，描述白光源以一種相對(duì)于人類視覺感知而言準(zhǔn)確且舒適的方式顯色的能力，同時(shí)考慮參比光源（相同CCT下，黑體輻射在CCT<6,000 cct="">6,000 K條件下進(jìn)行測(cè)試）。
CRI通常被定義為8個(gè)測(cè)試顏色樣本（R1-R8）的顯色平均值，額定范圍在0到100之間。對(duì)于高CRI采用額外的R9值，表示深紅色。CRI=100意味著由測(cè)試光源發(fā)光的所有顏色樣本都與參比光源發(fā)光的相同樣本具有相同的顏色。
圖1. 藍(lán)光InGaN LED芯片的設(shè)計(jì)
a．第*個(gè)藍(lán)光InGaN/AlGaN LED示意圖。
b. 具有倒置結(jié)構(gòu)以及無接觸前表面的倒裝LED芯片示意圖。兩個(gè)接觸點(diǎn)被焊接在靠近LED的基板上。
c. *高水準(zhǔn)的薄膜型倒裝LED示意圖及LED器件的俯視圖。這三種示意圖的有效層簡化表示了雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單或多量子阱結(jié)構(gòu)InGaN/AlGaN。
過去20年，藍(lán)光LED的EQE逐步提高，這也是不斷降低GaN晶體結(jié)構(gòu)缺陷密度的結(jié)果。出于成本效益的原因，這種材料通常生長于藍(lán)寶石襯底上，然而二者存在著16%的晶格失配以及不同的熱膨脹系數(shù)。這兩個(gè)因素導(dǎo)致1,000℃附近MOVPE生長GaN過程中位錯(cuò)缺陷的產(chǎn)生。
細(xì)致優(yōu)化生長工藝可使缺陷保持在107~108 cm-2范圍內(nèi)，但需進(jìn)一步提高其他LED應(yīng)用的相同結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的質(zhì)量。雖然InGaN LEDs存在很高的缺陷密度，但其具有比其他低缺陷密度的寬帶隙半導(dǎo)體二極管（如ZnSe）更高的效率，具體原因至今不明。
另一個(gè)強(qiáng)烈影響LEDs提取效率以及內(nèi)量子效率（IQE）提高的因素是器件的構(gòu)造。圖1a顯示了外p-型GaN層，其具有相對(duì)較低的電導(dǎo)率，從而限制了器件中的空穴注入，但是這個(gè)瓶頸可通過覆蓋整個(gè)p-GaN表面的更大p-型接觸來克服。然而，電接觸會(huì)阻礙輸出光子。
幾種設(shè)計(jì)方案都可以解決這個(gè)問題，如圖1b、c所示。倒裝芯片（圖1b）是指芯片倒置安裝且p-和n-接觸都在背后。這種構(gòu)造提供更好的散熱，獲得更高的電流密度，從而使得每片芯片表面具有更高的光輸出。藍(lán)寶石在藍(lán)光和綠光區(qū)域是透明的，并不妨礙發(fā)光。
此外，接觸部位可采用涂層（例如Ag）來反射那些向基座方向發(fā)射的光子?？刹捎帽∧ば酒寡b法（圖1c）進(jìn)一步提升性能。從n-GaN層上講基底移除，并將表面粗糙化，以提高光提取效率。據(jù)報(bào)道，結(jié)合材料以及構(gòu)造的進(jìn)展，~444nm處發(fā)光的InGaN LEDs在20mA下EQE可達(dá)到84.3%。
4、從藍(lán)光到白光
對(duì)于今天無處不在的白光LEDs而言，高效率藍(lán)光發(fā)光二極管的發(fā)明具有里程碑意義。相對(duì)于傳統(tǒng)光源，LEDs具有更高的能量效率，更重要的是可調(diào)節(jié)發(fā)光性能更好的適應(yīng)不同的應(yīng)用，例如舞臺(tái)照明、建筑照明等等。
一般來說，可通過幾種不同方法獲得白光LEDs。一種是組合發(fā)藍(lán)光、綠光和紅光的三個(gè)不同半導(dǎo)體LEDs（圖2a左）。該方法最大的挑戰(zhàn)在于綠光半導(dǎo)體的EQE相對(duì)較低（≈25%），限制了相應(yīng)白光LED的發(fā)光效率（圖2c）。InGaN與高含量銦形成的固溶體通常被用于直接發(fā)射綠光。基底與InGaN間的晶格失配度隨銦含量的提高而增加，從而產(chǎn)生更高的缺陷密度。另外，描述原子核周圍電子密度分布改變的量子力學(xué)Stark效應(yīng)也隨銦含量的提高而更加明顯，從而降低綠光波段內(nèi)的EQE。
為了避免這一局限，基本上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的綠光熒光轉(zhuǎn)換LEDs（pc-LEDs）直接采用藍(lán)光LED發(fā)射綠光，在商業(yè)產(chǎn)品中通常用以取代綠光半導(dǎo)體（圖2a右，圖2c）這種雜化LED典型的發(fā)光光譜如圖2b所示。
這些雜化產(chǎn)品（直接藍(lán)光和紅光加pc-綠光）的發(fā)光效率顯著提高，且可獲得高顯色指數(shù)（CRI）值。由于紅、綠、藍(lán)（RGB）LEDs中三個(gè)獨(dú)立發(fā)光體隨時(shí)間的推移具有不同的光譜漂移，且具有不同的熱降解率，使得其顏色穩(wěn)定性較差。
可獨(dú)立控制RGB中每個(gè)通道的復(fù)雜且昂貴的電路需要補(bǔ)償這個(gè)不想要的效應(yīng)，所以這些構(gòu)造在白光應(yīng)用中的使用有限。對(duì)于功能照明以及物體和建筑照明而言，由額外電子元件提供混色功能（可動(dòng)態(tài)改變輸出色彩的基調(diào)）是非常有前景的。
圖2. LED發(fā)射白光的不同方法
a．白光LEDs示意圖。左：三個(gè)直接發(fā)光LEDs（藍(lán)光，InGaN；綠光，InGaN；紅光，AlInGaP）。右：兩個(gè)直接發(fā)光LEDs（藍(lán)光，InGaN；紅光，AlInGaP）和一個(gè)綠光pc-LEDs。
b. 由直接發(fā)藍(lán)光和紅光的LEDs和一個(gè)綠光pc-LED組合而成的白光LED的發(fā)光光譜。灰色陰影譜線：人類眼睛靈敏度曲線。
c. 半導(dǎo)體LEDs的外量子效率（EQE）。藍(lán)色方塊，InGaN基LEDs；紅色三角形，AlInGaP基LEDs；綠色方塊，綠光pc-LED。
d. 白光pc-LED和涂層上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的藍(lán)光InGaNLED示意圖。
e. 具有寬帶黃光熒光的白光pc-LED的發(fā)光光譜。
f. 國際照明委員會(huì)（CIE，1931年）繪制的黑體曲線（實(shí)心黑點(diǎn)線）和CCT值。白色方塊表示直接藍(lán)光LED和黃色發(fā)光材料（YAG:Ce）的CIE顏色坐標(biāo)。所有感知顏色都可沿著pc-LED的點(diǎn)線獲得。
g. CCT=2,700 K的pc-LEDs的發(fā)光光譜。黑線：窄帶紅光Sr[LiAl3N4]:Eu2+ LED（CRI=98，R9>90）。白色虛線：Sr[LiAl3N4]:Eu2+發(fā)光概括。紫色曲線：商用LED（CRI = 96，R9>80）。兩個(gè)LEDs顯示出了與2,700 K黑體輻射（黑色點(diǎn)劃線）良好的匹配關(guān)系。而采用窄帶紅光材料的pc-LED在紅外區(qū)域的溢出（黑色的向下箭頭）明顯減小。
h. CIE圖。白色方塊表示直接藍(lán)光LED、黃色發(fā)光材料（YAG:Ce）、額外紅色熒光的CIE顏色坐標(biāo)（Sr[LiAl3N4]:Eu2+）。Pc-LED添加混合可獲得所有的顏色，用三角形表示。在此，可獲得黑體曲線（黑色實(shí)線）的幾乎所有CCT值。
根據(jù)混色原理（圖2d），基于pc-LED策略提供白光的一個(gè)簡單方法是結(jié)合單個(gè)藍(lán)光InGaN芯片和一個(gè)或多個(gè)可見光區(qū)的發(fā)光材料。遵循這一策略，早在1996年由Nichia開發(fā)的第*款商業(yè)化白光pc-LEDs就使用Ce3+摻雜的石榴石材料（如Y3?xGdxAl5?yGayO12:Ce3+(YAG:Ce)）來發(fā)射寬譜黃光（圖2e、f）。只使用單一的熒光，限制了CRI<75光源在冷白光和日光范圍內(nèi)（相關(guān)色溫CCT=4,000-8,000 K）的性能。然而，接近理論極限的高轉(zhuǎn)換效率令這些器件成為那些要求具有與日光相媲美CCT值（~6,400 K）汽車前燈的重要組成部分。
理想自然色彩感知度的照明應(yīng)用首選更低的CCT值（2,00-4,000 K）和更高的CRIs>80。使用兩個(gè)或兩個(gè)以上發(fā)光材料（例如，綠光至黃光的LuAG:Ce或YAG:Ce結(jié)合紅光(Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+或(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+）更容易實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)。調(diào)整這些材料的比例，可以獲得接近于黑體輻射的覆蓋整個(gè)可見光區(qū)的連續(xù)發(fā)射光譜（圖2g、h）。然而，CRI>90的高光質(zhì)量（通常用于需要最自然色彩的博物館、醫(yī)療室、零售商店等）通常以犧牲發(fā)光效率為代價(jià)。考慮到人眼視覺靈敏度曲線（圖2b），650 nm以后的光子很弱，造成發(fā)光效率的巨大損失。因此，相比于更注重紅光部件的pc-LED，可通過精細(xì)調(diào)節(jié)發(fā)光材料發(fā)射光譜的位置和寬度使得pc-LED更好的適應(yīng)視覺感知（同時(shí)也具有更高的發(fā)光效率）。
5、提高白光中的紅色發(fā)光材料
美國能源部最近設(shè)定了2020年照明級(jí)白光LED發(fā)光效率200Im W-1的市場標(biāo)準(zhǔn)。如此高的效率通常要求pc-LEDs在苛刻的條件完成，例如芯片表面溫度達(dá)到200℃（由高電流密度產(chǎn)生）和主藍(lán)光LEDs的快速光子泵率。
因此，適當(dāng)?shù)臒晒庑枰谶@些條件下表現(xiàn)出高轉(zhuǎn)換效率、快速衰減、以及高的抗熱降解。Eu2+摻雜的氮化物如 (Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+（通常其發(fā)射峰中心介于λem~590–625nm，半峰寬FWHM為2,050-2,600cm-1）或者(Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+（λem~610–660nm, FWHM~2,100–2,500cm?1）已經(jīng)作為商用照明級(jí)白光pc-LEDs中紅光材料。
然而，發(fā)射光譜的相關(guān)部分超出了人眼靈敏度范圍（紅外溢出，圖2g），限制了器件的整體發(fā)光效率。Sr1?xCaxS:Eu2+（λem~615–650nm, FWHM~1,550–1,840cm?1）等更窄發(fā)射材料也進(jìn)行了測(cè)試，但由于其與封裝材料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及其隨溫度升高轉(zhuǎn)換效率受限等原因，限制了工業(yè)應(yīng)用。
最近的研究獲得了一類新的具有非常窄紅光發(fā)射的氮化物材料。當(dāng)前的研究將Sr[LiAl3N4]:Eu2+(λem =650nm, FWHM~1,180cm?1)和Sr[Mg3SiN4]:Eu2+(λem=615nm, FWHM~1,170cm?1)作為下一代照明pc-LEDs的基礎(chǔ)。
Sr[LiAl3N4]:Eu2+具有良好的熱性能，且在低CCT高CRI方面（比如CCT=2,700K, CRI>90）應(yīng)用時(shí)能夠降低紅外發(fā)射。相比于商用高CRI的LEDs（圖2g），有望增加4-12%的發(fā)光效率。進(jìn)一步的提高有望通過將紅光發(fā)射光譜移到更短波長（~600–630nm）得到實(shí)現(xiàn)，*好是具有更窄的發(fā)射帶。
通用公司GE（Trigainphosphors）最近商業(yè)化的Mn4+摻雜氟化物是另外一類窄紅光發(fā)射材料。這些材料的發(fā)射圖譜中630 nm附近出現(xiàn)幾條尖線（每條都<5nm），當(dāng)其與綠-黃發(fā)光石榴石材料結(jié)合時(shí)刻獲得高CRI、高發(fā)光效率的燈。然而，Mn4+較長的發(fā)光衰減時(shí)間以及離子氟化物施主材料較低的熱穩(wěn)定性都有可能限制這些熒光粉生產(chǎn)相對(duì)較低電流密度和低發(fā)熱產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用。
最后，直接紅光發(fā)射LEDs與互補(bǔ)pc-LEDs組合的雜化器件也可作為優(yōu)質(zhì)照明。然而，直接紅光LED的溫度敏感性要求更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用范圍限制在低熱約束領(lǐng)域，比如非定向的大面積照明。
6、改進(jìn)LCDs綠色發(fā)射器
LEDs廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代液晶顯示器（LCD）中的背光組件。在這些器件中，LED發(fā)光穿過一個(gè)偏振濾波器、一層液晶、彩色濾波器以及一個(gè)二級(jí)偏振濾波器（圖3a）；穿過二級(jí)偏振濾波器的極化光的透射率取決于液晶的方向，可電調(diào)諧。與照明應(yīng)用不同，要求具有*佳的顯示性能。
特別是，色域由LCD顯示提供，取決于白色背光LED源中紅色、綠色、藍(lán)色部分的CIE（國際照明委員會(huì)Commission Internationale de l'?clairage）圖中的位置，通常由特定標(biāo)準(zhǔn)（比如國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)NationalTelevision Standard Committee (NTSC), CIE 1931）校正。人眼的靈敏度以及波長相關(guān)的分辨率在綠光波段內(nèi)更高，因此可區(qū)分大量的綠色調(diào)。
結(jié)果就是，如果背光LEDs中綠光發(fā)射器帶寬較窄的話（圖3b），顯示于LCD上的色域?qū)⒚黠@增加。常用的石榴石材料（如具有寬帶綠-黃成分的YAG:Ce）的單一熒光粉pc-LEDs無法滿足這些要求，而紅、綠、藍(lán)三原色的LED難以應(yīng)用，特別是綠光LEDs的EQE很低。
最先進(jìn)的高色域LEDs由窄帶綠光β-SiAlON:Eu2+(λem=525nm, FWHM~50nm)和窄帶紅光K2SiF6:Mn4+(λem=613, 631, 636, 648nm, each FWHM<5nm)結(jié)合而成。特別是在更小的顯示器中，例如平板電腦和某些TV模型，含有窄綠光和紅光發(fā)射的量子點(diǎn)的板材作為高色域背光。發(fā)展綠光波段內(nèi)具有窄發(fā)射帶寬的固態(tài)材料將有助于提高基于節(jié)能LED背光的LCD顯示器的最大可顯示色域。
a. LCD顯示器示意圖。TFT表示薄膜晶體管（thin-film transistor）。
b. 不同色域的CIE（1931）圖。黑點(diǎn)表示NTSC標(biāo)準(zhǔn)的色度坐標(biāo)。虛線表示NSTC色域。白點(diǎn)表示穿過相應(yīng)濾色片（藍(lán)、綠、紅）的背光LED的色度坐標(biāo)。根據(jù)發(fā)光材料的FWHM和光譜峰位置，綠色值可假設(shè)CIE圖中的不同位置，從而產(chǎn)生不同色域?；疑切伪硎緦拵ЬG-黃色發(fā)光石榴石可達(dá)到的色域。藍(lán)色和紅色三角形表示使用更窄的綠色發(fā)光材料增加的色域（見插圖）。
插圖：黑色曲線顯示典型綠色濾波器的通帶?；疑?、藍(lán)色及紅色曲線顯示CIE圖中對(duì)應(yīng)綠色發(fā)光元件的發(fā)射分布。
7、應(yīng)用前景
全球銷售數(shù)據(jù)證實(shí)LED照明市場不斷增長，在其他領(lǐng)域的擴(kuò)張也可預(yù)見。LEDs具有獨(dú)立色彩調(diào)節(jié)的潛力，因此可根據(jù)不同需求調(diào)整其發(fā)射性能。這類光譜控制照明可適應(yīng)人體生理反應(yīng)，例如有助于提高注意力或者改善睡眠。
密集型LED照明在醫(yī)療方面的影響也越來越大，比如緩解肌肉緊張或者治療皮膚疾病。此外，采用特定波長的固態(tài)照明有望刺激光合作用，優(yōu)化溫室作物的生長。在普通照明領(lǐng)域，經(jīng)過成本效益和性能方面的不斷發(fā)展，我們將從新的LED產(chǎn)品中不斷獲利。
二、LED產(chǎn)業(yè)鏈
（一）LED簡介
1、LED基本介紹
LED是“Light Emitting Diode”的縮寫，中文譯為“發(fā)光二極管”，是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件。LED的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的芯片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)p-n結(jié)，當(dāng)注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能轉(zhuǎn)換為光能。不同材料的芯片可以發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫色等不同顏色的光，“發(fā)光二極管”也因此而得名。
與傳統(tǒng)照明相比，LED在節(jié)能方面優(yōu)勢(shì)明顯，是目前世界上先進(jìn)的照明技術(shù)。被業(yè)界認(rèn)為是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后偉大的發(fā)明之一。
LED的另一大特點(diǎn)是環(huán)保。LED為固態(tài)發(fā)光器件，不含汞，在生產(chǎn)和使用中都不會(huì)因?yàn)槠屏褜?dǎo)致有毒金屬環(huán)境污染。
2、LED應(yīng)用領(lǐng)域及其分類
在全球能源危機(jī)的大環(huán)境下，節(jié)能、環(huán)保、色彩豐富、安全、壽命長、微型化的半導(dǎo)體LED照明已被世界公認(rèn)為人類照明史上第三次照明革命。隨著 LED技術(shù)的提升，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓展和延伸，被廣泛運(yùn)用于液晶屏背光源、通用照明、信號(hào)顯示、信號(hào)燈和車用燈具等領(lǐng)域。
3、LED封裝及其產(chǎn)品分類
LED封裝是指用環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅等材料把LED芯片和支架包封起來的過程。具體而言，就是將LED芯片及其他構(gòu)成要素在支架或基板上布置、固定及連接，引出接線端子，并通過可塑性透光絕緣體介質(zhì)包封固定，構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的過程，為芯片的正常工作提供保護(hù)及散熱功能。
目前，LED器件的類型主要為直插型（Lamp）和表面貼裝型（SMD），其中，SMD型產(chǎn)品與Lamp型產(chǎn)品相比，具有很多獨(dú)到的優(yōu)異特性，如：組裝密度高、電子產(chǎn)品體積小、重量輕，節(jié)省材料、能源、設(shè)備、人力、時(shí)間等。具體體現(xiàn)為：
（1）焊點(diǎn)缺陷率低，高頻特性好，減少了電磁和射頻干擾；
（2）可靠性高、抗振能力強(qiáng)；
（3）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，降低成本達(dá)30%—50%；
（4）貼片組件的體積和重量只有傳統(tǒng)插裝組件的1/10左右，一般采用SMT之后，電子產(chǎn)品體積縮小40%—60%,重量減輕60%—80%。
目前，SMD LED主要應(yīng)用于背光、照明等領(lǐng)域。
從封裝形式區(qū)分，SMD LED產(chǎn)品包括Chip類、Top類、Sideview類和大功率類產(chǎn)品，其中TOP類、Sideview類和大功率類產(chǎn)品主要以白光、高亮為主，主要運(yùn)用領(lǐng)域?yàn)楸彻猓ㄈ纾菏謾C(jī)、電腦等領(lǐng)域）和照明（如：室內(nèi)照明、室外照明等），因此，SMD高端形式封裝的具體產(chǎn)品通常為TOP類產(chǎn)品、Sideview類產(chǎn)品和大功率類產(chǎn)品,具體表現(xiàn)為白光、高亮產(chǎn)品。國內(nèi)直插式器件市場已經(jīng)基本飽和，利潤逐年下降；SMD低端器件競爭已日趨白日化，SMD中高端器件產(chǎn)能處于逐步釋放階段，產(chǎn)品價(jià)格變化較大。
4、LED按發(fā)光顏色分類及其應(yīng)用
LED屬于半導(dǎo)體光電器件范疇，依發(fā)光顏色分為單色光LED、全彩LED和白光LED。其中，白光LED主要用于背光和照明領(lǐng)域，用途較為廣泛。各色光LED分類及應(yīng)用領(lǐng)域如下：
隨著白光LED的發(fā)光效率的提升，半導(dǎo)體照明已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、背光源、特種照明等領(lǐng)域，正向普通照明領(lǐng)域推進(jìn)。按照“美國半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖（OIDA2002.11）”規(guī)劃（資料來源：《中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒》（2008-2009）），到2012年照明用LED的發(fā)光效率達(dá)到150lm/w，2020年照明用LED的發(fā)光效率要達(dá)到200lm/w，滲透到所有照明領(lǐng)域。目前，白光LED的發(fā)光效率大約在120lm/w，不斷提升白光LED的發(fā)光效率已成為推動(dòng)白光LED技術(shù)進(jìn)步的重要內(nèi)容之一。到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)比白光LED更適合于半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的產(chǎn)品。
5、LED應(yīng)用發(fā)展概況
早在1907年，人類就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的通電發(fā)光現(xiàn)象，然而直到20世紀(jì)60年代，由化合物半導(dǎo)體材料GaAsP制成的紅光LED才真正實(shí)現(xiàn)商用，但由于發(fā)光效率非常低，而成本卻非常高，當(dāng)時(shí)僅用于各種昂貴電子設(shè)備的信號(hào)指示燈。
進(jìn)入90年代以后，隨著LED發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度的逐漸提高，以及發(fā)光光色對(duì)整個(gè)可見光譜范圍的全覆蓋，LED光源的節(jié)能效果和實(shí)用性得以凸顯，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了較大的拓展，目前LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于液晶屏背光源、戶外大屏幕、光通信光源、交通信號(hào)燈、舞臺(tái)燈、景觀燈、汽車尾燈，并逐漸進(jìn)入路燈、室內(nèi)照明、汽車前燈等傳統(tǒng)照明應(yīng)用領(lǐng)域。
6、全球LED封裝行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r
全球LED封裝行業(yè)的發(fā)展是伴隨著LED產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行的，具有明顯的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移特征。全球五大LED巨頭：日本Nichia、ToyodaGosei、美國CREE、Lumileds、德國Osram代表了LED的高技術(shù)水平，引領(lǐng)著LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
20世紀(jì)50年代，英國發(fā)明了第*枚具有現(xiàn)代意義的LED（Light EmittingDiode），1962年美國通用電氣公司率先研制出第*種實(shí)際應(yīng)用的可見光發(fā)光二極管。到了20世紀(jì)70年代，黃色和綠色LED發(fā)光器誕生，伴隨著新材料的發(fā)明和光效的提高，單個(gè)LED光源的功率和光通量也在迅速增加。之后的數(shù)十年LED發(fā)展迅速，遵守摩爾定律，每18個(gè)月亮度就會(huì)提高一倍。20世紀(jì)90年代，由日本的日亞公司研發(fā)出了藍(lán)色LED，帶動(dòng)白光LED的開發(fā)成功，使得LED應(yīng)用從單純的標(biāo)識(shí)顯示功能向照明功能邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，LED正在突破光衰、散熱、光效等問題，逐步成為公認(rèn)的節(jié)能、環(huán)保的新型光源，具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)用前景極其廣闊。各國政府日益重視，為節(jié)約能源、推行環(huán)保，目前很多國家都在加緊立法或推出相應(yīng)科研、應(yīng)用計(jì)劃，或制訂明確的鼓勵(lì)使用節(jié)能型光源的時(shí)間表。2001年7月，美國能源部啟動(dòng)一項(xiàng)名為“Next-GenerationLightingInitiative（NGLI）”計(jì)劃，即“下一代照明計(jì)劃”。日本21世紀(jì)照明計(jì)劃是由日本金屬研發(fā)中心和新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）發(fā)起和組織的一個(gè)國家計(jì)劃。2000年7月，歐盟實(shí)施彩虹計(jì)劃（Rainbow project bringscolorto LEDs），設(shè)立執(zhí)行研究總署（ECCR），通過歐盟的BRITE/EURAM-3program支持推廣白光LED的應(yīng)用。為應(yīng)對(duì)全球節(jié)能環(huán)保趨勢(shì)，韓國產(chǎn)業(yè)資源部成立了“GaN光半導(dǎo)體”開發(fā)計(jì)劃，來發(fā)展以GaN材料為主的白光LED照明光源相關(guān)研究。中國2000年開始持續(xù)推出眾多LED扶持政策，并于2009年開展“十城萬盞”LED照明推廣計(jì)劃，大力發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)。
全球LED產(chǎn)業(yè)在各國政府政策的大力扶持下，LED在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，獲得了快速的發(fā)展。當(dāng)前，全球LED封裝產(chǎn)業(yè)主要集中于日本、臺(tái)灣、美國、歐洲、韓國和中國大陸等區(qū)域。其中日本、美國、歐洲，因?yàn)閾碛邢劝l(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)和制造設(shè)備優(yōu)勢(shì)，為全球早的LED封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)域；臺(tái)灣和韓國擁有消費(fèi)類電子完整產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)上中下游分工明確，產(chǎn)業(yè)鏈供銷穩(wěn)定，因此近年來迅速崛起；中國大陸地區(qū)具有成本優(yōu)勢(shì)和迅速擴(kuò)大的LED應(yīng)用市場，在近的10年時(shí)間里，世界各國包括臺(tái)灣地區(qū)的LED封裝資本不斷的向中國大陸轉(zhuǎn)移，紛紛在中國大陸設(shè)立封裝廠，內(nèi)資封裝企業(yè)不斷成長發(fā)展，技術(shù)不斷成熟和創(chuàng)新，使得中國大陸也成為LED封裝迅速崛起的地區(qū)之一。
LED封裝具有技術(shù)密集型和資本密集型的特點(diǎn)，由于中國大陸具有成本優(yōu)勢(shì)和迅速擴(kuò)大的LED應(yīng)用市場，國際及臺(tái)灣封裝廠商紛紛到大陸投資建廠，以取得就近配套與終端市場優(yōu)勢(shì)，使得中國大陸的LED封裝產(chǎn)業(yè)得以持續(xù)快速的增長，也使得中國大陸成為全球重要的LED封裝基地，這不僅擴(kuò)大了中國大陸LED封裝在世界LED封裝領(lǐng)域的市場占有率，同時(shí)也提升了中國大陸廠商的LED封裝技術(shù)，加速了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。中國封裝產(chǎn)業(yè)初步形成了珠江三角洲、長江三角洲、閩贛地區(qū)、環(huán)渤海區(qū)域等四大LED密集區(qū)域，中國已經(jīng)成為世界重要的LED封裝基地。
7、LED封裝行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)
（1）SMD封裝逐漸成為LED封裝的主要形式
表面貼裝封裝的SMD LED成為一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，采用更輕的PCB板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，并去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產(chǎn)品重量減輕一半，終使應(yīng)用更趨完美，尤其適合對(duì)產(chǎn)品厚度不斷減少的各類背光產(chǎn)品及戶內(nèi)，半戶外全彩顯示屏應(yīng)用。
SMD LED封裝具有一定的技術(shù)難度，這種技術(shù)難度體現(xiàn)在：
一是如何設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化封裝材料組合，以提高器件發(fā)光效率，并使配光曲線滿足要求。良好的封裝形式不僅能夠提高LED芯片的使用效果，也有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。SMD器件結(jié)構(gòu)的不斷研究，帶來了器件結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，針對(duì)細(xì)分市場的專用器件不斷出現(xiàn)，如滿足戶外顯示屏應(yīng)用要求的橢圓形LED、滿足小尺寸LCD背光要求的側(cè)面發(fā)光LED等。
二是有效解決散熱問題，以提高器件可靠性。LED器件熱阻高會(huì)導(dǎo)致芯片的PN結(jié)溫升高，引起LED光衰發(fā)生、散熱是LED封裝首要的技術(shù)難點(diǎn)。本項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)研究，豐富和發(fā)展了封裝材料，從而使器件熱阻大大降低，器件壽命有了根本保證。
白光LED的封裝技術(shù)成為業(yè)界為關(guān)注且投入研究力量多的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，利用先進(jìn)的封裝技術(shù)，提高對(duì)白光LED色溫、色度坐標(biāo)、顯色指數(shù)等參數(shù)的控制，從而獲得品質(zhì)優(yōu)良的白光LED，以滿足不同市場對(duì)不同白光LED的要求，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的白光LED色溫、色度坐標(biāo)、顯色指數(shù)高度集中，對(duì)任何廠商而言，都是極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。
（2）背光源和照明產(chǎn)品將成LED市場后續(xù)高速成長的動(dòng)力
隨著LED背光源在大尺寸液晶面板中滲透率的快速提升和LED照明市場的超預(yù)期發(fā)展，整個(gè)LED行業(yè)將會(huì)出現(xiàn)加速增長勢(shì)頭。LED背光和LED通用照明是增長快的兩個(gè)領(lǐng)域，背光源和照明將成LED市場后續(xù)高速成長的動(dòng)力。
8、背光LED市場需求
LED背光源包括小尺寸背光源、中尺寸背光源以及大尺寸背光源，其中小尺寸背光源主要應(yīng)用于手機(jī)、MP3、MP4、PDA、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和健身器材等；中尺寸背光源，主要用于筆記本電腦、上網(wǎng)本、計(jì)算機(jī)顯示器和監(jiān)視器等；大尺寸主要應(yīng)用于液晶電視等。
不同尺寸液晶屏對(duì)LED背光源的數(shù)量及性能要求如下：
9、照明LED市場需求
LED照明較普通照明具備節(jié)能、環(huán)保、響應(yīng)時(shí)間短、使用時(shí)間長等優(yōu)勢(shì)，決定了它是理想的替代光源。目前其使用成本偏高，其大力推廣受到了制約，但是隨著LED成本的逐步降低，同時(shí)在各國政府致力推廣節(jié)能政策、全球范圍內(nèi)逐步淘汰白熾燈的推動(dòng)下，LED照明將帶來巨大的發(fā)展機(jī)遇。LED照明應(yīng)用市場主要可分為室外景觀照明（護(hù)欄燈、投射燈、草坪燈等）、室內(nèi)普通照明、裝飾照明、專用照明（路燈、手電筒、頭燈、閱讀燈等）、特種照明（軍用、醫(yī)用照明、生物專用燈等）和車燈照明等。
隨著白熾燈泡的禁用，10W以下的LED燈泡商機(jī)涌現(xiàn)。依現(xiàn)階段照明占全球電力消耗的比重達(dá)19%，耗能總量達(dá)到2651TWH。如果能夠?qū)F(xiàn)有的光源替換成節(jié)能光源，預(yù)計(jì)將可以省下30%能源消耗。若再進(jìn)一步將節(jié)能光源與感測(cè)器、智能電網(wǎng)等相關(guān)應(yīng)用作結(jié)合，預(yù)計(jì)還可以再節(jié)省30%的能源消耗。如果到2030年能夠節(jié)省50%的能耗，相當(dāng)于減少20億桶石油的二氧化碳排放量。
全球白熾燈泡的年平均消耗量在200億只，LED在白熾燈照明領(lǐng)域滲透率每提升一個(gè)百分點(diǎn)，就會(huì)帶來32億顆LED封裝器件的增量需求。
10、中國大陸LED封裝行業(yè)競爭格局
這四大區(qū)域一直是中國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)所在，也是LED產(chǎn)品應(yīng)用推廣的主要地區(qū)。其中珠三角地區(qū)是中國LED封裝企業(yè)集中，封裝產(chǎn)業(yè)規(guī)模大的地區(qū)，企業(yè)數(shù)量占全中國的一半左右，該區(qū)域匯聚眾多封裝物料與封裝設(shè)備的生產(chǎn)商與代理商，配套為完善，其他3個(gè)地區(qū)企業(yè)規(guī)模較小。長三角地區(qū)，以上海、杭州、揚(yáng)州、寧波為產(chǎn)業(yè)聚集中心，投資環(huán)境較好，為中國的LED產(chǎn)業(yè)第二大封裝基地，產(chǎn)業(yè)鏈上下游較平衡。閩贛地區(qū)主要是以廈門、泉州、南昌、景德鎮(zhèn)為產(chǎn)業(yè)聚集中心，為中國大的外延、芯片制造基地，因臨近臺(tái)灣，具有優(yōu)越的LED產(chǎn)業(yè)對(duì)接優(yōu)勢(shì)。環(huán)渤海地區(qū)是以北京、石家莊、沈陽、大連、山東濰坊為產(chǎn)業(yè)聚集中心，其特點(diǎn)是科研單位、研究所和大學(xué)眾多，因此在LED制程技術(shù)、LED設(shè)備研究方面一直走在中國前列。
11、產(chǎn)業(yè)鏈概述
LED產(chǎn)業(yè)具有典型的不均衡產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，一般按照材料制備、芯片制備和器件封裝與應(yīng)用分為上、中、下游，雖然產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)不多，但其涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，技術(shù)工藝多樣化，每一領(lǐng)域的技術(shù)特征和資本特征差異很大。
LED產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈主要可分四部分：即LED外延片生長、芯片制造、器件封裝和應(yīng)用產(chǎn)品及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)，分為上游、中游和下游。半導(dǎo)體襯底材料、外延晶片的制造是上游產(chǎn)業(yè)，芯片制造是中游產(chǎn)業(yè)，器件封裝及基于LED器件的應(yīng)用產(chǎn)品制造是下游產(chǎn)業(yè)。
12、生產(chǎn)工藝流程
白光LED的封裝工藝的實(shí)現(xiàn)是采用高精度全自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，封裝環(huán)境為萬級(jí)無塵車間。
A、背光LED器件生產(chǎn)工藝流程圖
B、照明LED器件生產(chǎn)工藝流程圖
（1）大功率（含0.5W及以上）照明LED
13、環(huán)境保護(hù)
生產(chǎn)過程中不存在高危險(xiǎn)或重污染的情況，所生產(chǎn)產(chǎn)品亦為節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。主要污染源和污染物為：生活廢水、一般廢氣、有機(jī)廢氣、噪聲源和固體廢物，其中，噪聲源來自切割機(jī)、焊線機(jī)等工藝設(shè)備和冷凍機(jī)、各種泵、冷卻塔和空調(diào)機(jī)組，固體廢物為生產(chǎn)過程產(chǎn)生的邊角料。
14、安全生產(chǎn)衛(wèi)生
（1）在工藝設(shè)計(jì)中采用合理的生產(chǎn)組織，先進(jìn)的生產(chǎn)流程及生產(chǎn)技術(shù)，將危險(xiǎn)和有害因素減至低程度。
（2）生產(chǎn)中產(chǎn)生的有害氣體的工藝設(shè)備設(shè)局部排風(fēng)裝置，并處理達(dá)標(biāo)后再排放，確保生產(chǎn)人員的身體健康。
（3）所有用電設(shè)備、配電設(shè)備設(shè)安全接地，配電系統(tǒng)設(shè)短路保護(hù)、過電流保護(hù)等措施，保證用電安全。對(duì)高大建筑物采用避雷針方式。380/220V供電系統(tǒng)采用接零保護(hù)，防止出現(xiàn)電擊事故。
（4）主要建筑物設(shè)避雷網(wǎng)。
（5）廠房出入口及潔凈區(qū)內(nèi)有應(yīng)急照明、安全出口供疏散使用。發(fā)生事故時(shí)，人員可迅速撤離。
（6）對(duì)風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備產(chǎn)生的噪聲采取一系列降低噪聲措施，例如選用低噪聲設(shè)備，采用減振基礎(chǔ)、消聲器等保證室內(nèi)噪聲符合國家規(guī)范要求。
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