半导体光电器件-LED应用-显示和照明

1、LED0第一章 全球LED应用情况 在过去的5年里，全球LED市场处于快速增长阶段，到2008年底，全球LED市场销售的总规模达到了89.2亿美元，比2007年增长了11.8%。 我们认为，尽管受到金融危机影响，2008年全球LED市场增长率较2007年有所下降但与其他电子器件及集成电路产品市场的个位数甚至负增长相比，仍然保持了两位数以上的快速增长。未来随着高亮度LED在景观照明、汽车车灯、大尺寸LCD背光源、LED路灯等应用领域的驱动下，市场还将加速成长。 从全球LED市场来看，中国作为全球电子产业制造基地，市场规模近27亿美元位居世界第一，市场份额为27.7%，其次是美国，市场规模为16.

2、9亿美元，市场占比为17.4%，欧洲紧随其后，市场占比为16.6%，在亚太地区日本和韩国也有较大的份额，市场占比分别为11.9%和6.2%。1图：全球LED市场规模和未来预测2图：2008年全球主要国家LED市场占比3日本：LED产业领域的传统霸主 日本是LED产业领域的传统霸主，其在LED市场中最大的优势在于技术领先。近年来，日本在大力提升LED产品技术的同时，也积极发展LED在照明市场中的应用。2008年，日本LED照明推进协议会(JLEDS)公开了照明器具用高功率白色LED的技术开发蓝图，分别提出了白色光普通产品(高效率型)、高演色型产品以及灯泡色产品(灯泡色型)截止到2020年的发光效

3、率目标。关于LED照明的应用问题，技术开发蓝图预计，随着LED发光效率超过100lm/W，2010年前后LED照明将逐步进入以商业设施为中心的应用市场，并逐步得到普及。而对于办公室照明和住宅领域的照明，预计随着光质的逐步改善，2015年前后，LED照明有望得到普及。4美国：专利技术居于产业链高端 LED产业在专利和技术方面，居于产业链高端。2008年美国市场在全球的比重为17.6%，排名第二。相比于日本的LED路灯的应用力度，美国更多的是在景观照明和装饰方面，例如2008年，尽管美国经历了严重的金融危机，但是美国各州政府、联邦政府以及美国著名的广场在圣诞节期间都布置了采用LED装饰的LED圣诞

4、树以及LED圣诞装饰灯饰。除此之外，美国家庭对于LED圣诞装饰灯饰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，又可设计在层架板下方，使冷藏柜内照度更均匀，近年来有扩大取代传统荧光灯管，被应用到冷藏/冷冻柜低温照明系统之势，在Price Chopper和Wal-Mart等零售巨头的带动下，LED低温照明市场在美国也得到了较快的发展。 随着美国“国家半导体照明研究计划”进入尾声，美国能源部在2007年底颁布法令，规定从2012年1月到2014年1月间，美国要逐步淘汰40W、60W、75W及100W白炽灯泡，以节能灯泡取代替换，届时LED节能灯在美国照明市场的应用将得到广泛普及。5

5、欧洲：LED企业在照明市场实力较强 LED企业在照明市场中都具有较强的实力，2008年欧洲LED市场在全球占比为16.9%，排在第三。在欧洲，除传统的景观照明外，欧盟委员会决定在2011年前各种新型的机动车配置专门的日行灯，LED在汽车中的应用将更加广泛。相比日本和美国，欧洲在半导体市场照明方面也有很快的发展，欧盟已经从2009年9月起禁止销售100瓦传统灯泡，2012年起禁用使用瓦数的传统灯泡。欧盟将于2009年9月起禁止销售100瓦传统灯泡，2012起禁用所有瓦数的传统灯泡，因此，可以预计LED节能灯在欧洲市场将预先启动。6中国：多重应用全面开花 中国作为全球最大的电子产品生产基地，LED

6、市场规模位居全球首位，2008年市场份额约占全球的27.7%。目前，中国LED已经从最初仪器仪表的指示灯像高端市场迈进，2008年，中国显示屏用LED已成为最大的应用市场，进入2009年，国庆60周年庆典以及上海世博会对户外显示的需求进一步加大了LED在显示屏市场的需求。2008年以来，随着LED在NB和LCD TV背光领域的快速渗透，LCD面板背光用LED市场也获得很快发展。此外，国家还出台相关政策鼓励半导体照明市场的发展，预计接下来的几年，照明领域将成为中国LED市场增长的重要驱动力。7图：2008年中国LED市场应用结构（按销售额划分）8第二章 中国高亮度LED市场前景9高亮度LED仍是

7、主流 普通亮度LED指光强小于100mcd的LED，主要用于指示灯和文字显示；高亮度主要指光强介于100mcd和10cd之间的LED；超高亮度LED指光强大于10cd的LED。 从2008年中国LED市场亮度结构分布来看，高亮度和超高亮度LED市场占比超过80%，这和中国LED市场多元化应用有直接关系。未来几年，中国高亮度和超高亮度LED市场占比仍将扩大，普通亮度LED市场占比则会逐步被压缩。10图：2008年中国LED亮度结构（按销售额划分）11国家政策支持中国LED产业发展半导体照明节能产业规划意见 2009年10月13日，国家发改委发布了半导体照明节能产业发展意见，旨在推动我国半导体照明

8、节能产业健康有序发展，培育新的经济增长点及促进节能减排。意见指出，到2015年，半导体照明节能产业产值年均增长率在30左右。发展目标：产品市场占有率逐年提高，功能性照明达到20%左右，液晶背光源达到50%以上，景观装饰等产品市场占有率达到70%以上；企业自主创新能力明显增强，大型MOCVD装备、关键原材料以及70%以上的芯片实现国产化，上游芯片规模化生产企业3-5家；产业集中度显著提高，拥有自主品牌、较大市场影响力的骨干龙头企业10家左右；初步建立半导体照明标准体系；实现年节电400亿千瓦时，相当于年减排二氧化碳4000万吨。科技部“十城万盏”计划实施12国家政策支持中国LED产业发展 200

9、9年，在国务院常务会议上，半导体照明被列入推广扩大内需的产品之一，借助科技部实施的“十城万盏 ”示范工程，来实现半导体照明产业的战略目标。具体目标是：至2010年，在全中国完成50个半导体照明示范城市建设工作，应用200万盏LED市政照明灯具。而LED器件国产化比例目标为70%，预期年节电达10亿度。到2015年，半导体照明进入30%通用照明市场。预期年节电1400亿度，并且带动半导体照明产业规模达到人民币5000亿元。13关键技术进一步突破，高端产业化进程有所加快 2008年以来，在奥运会、世博会等政府大型项目的带动下，中国企业LED产品技术创新与应用开发能力得到快速提升，关键材料和器件研究

10、取得突破性进展，其中晶能光电的“硅衬底发光二极管材料与器件”产业化项目就是典型代表。中国LED芯片企业已经从2004年的30家发展到现在的60多家，并且这一速度还在加快。14产品成本降低加速市场多元化应用LED显示屏应用已成规模，未来仍将稳定成长 LED显示屏在中国发展速度非常迅速，从初期的几家企业、年产值几千万元人民币发展到目前超过150家企业、年产值几亿元人民币，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域。随着技术的发展，显示屏市场已经从原来单一的文字显示发展到图像的全彩显示，2008年以来，由于奥运会、60周年国庆以及上海世博会等大型活动的刺

11、激，中国各大城市掀起了户外广告显示热潮，随着中国二三级城市在户外显示领域的投入，未来该市场还将保持稳定成长。LED交通信号灯替换速度加快 以LED为光源的交通号灯则有抗震耐冲击、反应速度快、节约能源、寿命长等优点15产品成本降低加速市场多元化应用近两年，在中国的许多城市，如北京、上海、重庆、南京等都将传统光源的信号灯更换成以LED为光源的号灯。在中国尤其在一些经济发达，设施经费比较充足的地区，更换的情况尤为明显。随着内地城市畅通工程的实施，LED替代传统光源信号的等速度将明显加快，从而推动该市场的快速发展。车用LED发展空间优势明显 超高亮度LED可以做成刹车灯、尾灯和方向灯，也可用于仪表照明

12、和车内照明，它在耐震动、省电、长寿命方面比白炽灯具有明显的优势。用作主刹车灯，它比白炽灯反应速度快得多（LED为60ns，比白炽灯的140ms要缩短许多），从而使得汽车高速公路上行驶，会增加46米的安全距离。近两年，中国汽车产业快速发展，2009年中国汽车产量有望达到1200万辆，而且中高档汽车比重越来越高，LED在汽车市场的应16产品成本降低加速市场多元化应用用有很大的上升空间。大尺寸LCD背光源市场异军突起 从2007年开始，LED逐步替代CCFL作为大尺寸LCD面板背光源进入市场，市场专业研究机构DisplaySearch数据显示，2009年第三季在笔记型电脑市场，采用LED背光源的比例

13、将首次超越CCFL背光源，达53%。此外，该机构还表示用于液晶电视的LED背光渗透率将从2009年的3%增长到2013年的40%，将于2014年超过CCFL背光源，并且渗透率将超过50%。截止2009年8月份，中国NB出货量已达8809万台，液晶显示器和液晶电视的产量也分别达到7987万台、2574万台。未来几年，随着以上整机产量的增加和LED渗透率的不断提升，LED背光源在大尺寸LCD面板中的应用将全面开花。可以预见，在接下来的几年LED在大尺寸LCD背光源的应用仍将处于高速增长期。17产品成本降低加速市场多元化应用照明市场蓄势待发 节能减排显然已成为我国乃至全球的共同呼声，而半导体照明产业

14、作为新一轮高科技产业发展的焦点，被誉为全世界最有机会、最受追捧的产业。业内普遍认为，只有当白光LED发光效率突破100lm/W，LED就有望进入普通照明市场，从目前来看美国的Cree已经生产了数百万个100流明以上的照明级LED灯，与此同时国内的企业也在积极加紧研发室内照明级LED灯。未来几年，随着技术不断进步，成本持续降低，LED进入照明长期市场障碍已不大，半导体照明市场正蓄势待发。18市场将进入新一轮高速发展期 以上论述有力支撑着未来中国LED市场的快速增长，主要的亮点是LCD背光源用LED在未来五年中市场增长率将呈现逐年快速增长的趋势，这主要是由于LED将由小尺寸逐步过渡到NB、LCD

15、TV等大尺寸中，市场发展由于增添了新的亮点应用而进入新一轮高速发展时期，到2012年，中国LED市场规模降接近500亿元人民币。19图：2008-2012年年中国LED应用结构（按销售额划分） 20LED市场应用现状与前景分析 场应用仍以手机为主，约占高亮度LED 市场比重48%，其次为显示器与汽车。展望未来5年，照明、汽车和显示器用背光源市场将是LED需求的主要增长点。 21图：高亮度LED与传统LED市占率对比22图：2007年高亮度白光LED发展趋势23第三章 技术要点分析 24LED光源面临高价格、低功率的难题 我们评价一个光源，一般需要看几个特性：功率，光效，光线特性，价格。功率是指

16、光源的常用输入功率，比如100W的白炽灯，是指其输入功率是100W。每种光源都可以覆盖很大的功率范围，这里我们只对比常用的功率范围。 光效是光源把电能或者其他输入转化为光能的能力，光能我们用光通量作为评价标准，这个效率的单位就是 (流明/瓦特)，表示光源把每瓦能源转化为流明的能力。 光线特性是指光源的颜色，发光面积，光线发散角等特性。光线特性经常会决定一种光源的应用范围，比如激光的方向性好，可以用于测距，而荧光灯发散性好，适合室内照明等等。 价格因为不同的功率相差很大，我们取每1000流明需要的价格来做一个粗略的对比。 从这个表可以看出，LED除了在光线特性和其他特性上略占优势之外，在功率，价

17、格25LED光源面临高价格、低功率的难题 方面可以说完全处于劣势。尤其是价格，这个是限制LED目前应用范围的最致命因素。功率的限制导致LED不能用于大范围照明，比如机场，工地，甚至室内照明方面，LED也不能和荧光灯相提并论 26表：不同光源类型性能对比27高功率下如何保持高光效 单纯的光效并不具有参考价值，因为随着功率增长，LED的光效是在不断下降的。lumileds的产品在300mA以下，光效可以超过60流明/W，但是当驱 动电流达到700mA，光效骤然降低到了3040流明/W。事实上，市面上在销售的5mm高亮白光LED，其中优秀的产品，光效可以达到100流明 /W，超过任何的大功率产品，但

18、是那是在驱动电流仅有5mA的微弱功率下，当驱动电流增长，光效急剧跌落。 在大功率领域，LED的高温性能一直是一个难以解决的问题，随着温度的升高，LED的光效不断下降，其寿命也随之大幅度缩短。 28如何解决散热问题 LED的失效形式，除了物理破坏，反向击穿等之外，主要是热损坏，这使得对LED的保护主要集中在散热上。 传统光源如白炽灯、放电灯均靠将发光体加热到一定温度后才能产生辐射，高温是发光的前提条件，例如白炽灯需将钨丝加热到2800或更高(卤素灯)，这时钨丝将辐射大量的红外线、可见光和少许紫外光，加热功率中辐射以外的能量余留在灯本身使之保持高温，这部分能量不足输入功率的50%，而它正是保持发光

19、体以适当温度，维持发光所必须。而荧光灯则以70%以上的输入功率转化为紫外光及可见光，紫外光则经荧光粉转化为可见光，总输功率的30%留在在灯中用于维持灯的最佳工作温度和最高发光效率。 LED是在n型半导体中的自由电子越过阻挡层进入p型半导体，与并其中的空穴复合时全部势能转化为光能，同时产生一个光子，这是一种冷体发光，由于此种发光的总量子29如何解决散热问题效率50%，辐射光能以外的全部能量包括电流通过n型和p型半导体以及阻挡层时的电阻热以及电子自身的动能等均耗散在半导体中并集中阻挡层附近使之加热，造成p-n结的温升，而这种温升使阻挡层电阻下降，势垒下降，降低了载流子复合的内、外量子效率和发光效率

20、。p-n极的高温同时还影响了荧光粉的发光效率甚至造成永久性破坏产生光衰，并使原本应当很长的LED寿命大幅下降。 发热特性一直是LED照明的致命弱点，它是造成光衰加快和寿命缩短的主要原因。人们用了很多方法来加快散热，比如铝质外壳、吹风结构、增加散热面积等，也有运用定电流控制的手法来转嫁热能,但具有电源成本提高、使用寿命缩短、照明控制不灵活等缺点。 在高功率下解决散热和延长LED寿命主要有以下几条途径： 30如何解决散热问题进一步提高LED的总光子效率，这一效率的提高意味着更多能量转换为光能辐射出去，耗散在p-n结的能量的减少工作温度降低，这对p-n极自身的工作状态和荧光粉工作条件和寿命的延长都是

21、至关重要的。 LED是利用载流子复合发光的。在电子与空穴复合时其势能转化为光量子，这些光量子直接向外辐射时可能成为输出光，而向内或向四侧辐射的部分则将被吸收转化为热能，即使向外辐射的光子也将有部分为输出窗吸收或为其内表面反射后再吸收，最后成为内部热耗。所以LED的光效不仅决定于其内光子效率(即其输入能量转化为光子能量的效率)，而且与光子提取率即外光子效率直接相关。 进一步改进荧光粉，提高其量子效率和所能承受的工作温度，亦即发明一种高效高工作温度荧光粉，使能在更高的工作温度下运转而不被破坏。 31如何解决散热问题白光LED不仅存在如上所述的载流子复合的光量子效率和光量子提取率的问题，而且有输出光

22、子与荧光粉作用转换为新光子的内、外量子效率问题，如何选择LED的发射波长，寻找最佳匹配的高效荧光粉以取得最大光量子转换效率和光量子输出率，从而保证高的发光效率也是白光LED的关键问题，这一问题仍有大量工作需要完成而这也正是减缓LED发热问题的关键。 运用特殊散热填料来确保LED焊点和外壳之间的热量流通，散热填料的要求很高,它必须具有很强的导热性和耐热性。 32高功率下提升单芯片光效成为业界厂商的竞争焦点 2008年7月份，Osram宣布了最新的研发成果，大功率LED在350mA驱动下，光输出达到了155流明，效率高达136流明/瓦，色温是5000k。Osram把这个成果归功于高度优化的芯片技术

23、，和先进的荧光粉技术，以及高效的封装技术完美结合。Osram已经把这些相关的技术申请专利。 2008年11月，美国LED大厂Cree发布了大小为1 mm1 mm高功率白光LED，在电流为350mA的高功率和室温下，其发光效率可高达161 lm/W。对于这项新记录，Cree表示这是芯片与封装技术提升的结果。该公司表示，他们即将生产这种具有纪录优势的LED，将持续在生产过程中导入创新技术，预期一年内将开始量产这种高效能的LED。 对此，Cree向美国专利商标局（USPTO）申请的20080272386号专利，已于11月公开，内容是使用激光剥削或切削（laser ablation or sawing

24、）技术直接在碳化硅（SiC）33高功率下提升单芯片光效成为业界厂商的竞争焦点基板上刻出凹槽（(trenches)，再利用旋转涂布法将半导体纳米晶体或萤光粉等萤光材料填入凹槽中，在凹槽间形成一个凸面桥，这个方法可以让白光LED变得更小、更容易制造。这些萤光填充物能把SiC基板上的GaN LED所发出的窄频域蓝光，转换成宽带谱的白光。专利发明人Peter Andrews指出，与目前将LED置于杯状基座（submount）中并以光转换材料封装的技术相比，在基板上刻蚀出凹槽是一大进展，因为前者会限制白光LED的最小尺寸。为了协助光脱离LED，厂商会改变基座的形状并提高其反射率，而Cree的凹槽设计也有提高光萃取率的作用。 除了传统LED使用的萤光粉外，在凹槽中引进硒化镉（CdSe）等半导体纳米微晶，也有助于控制发光波长。Cree建议以喷墨印刷、网印与喷枪应用系统取代常见的旋涂法，将这类新颖材料填入凹槽中。尽管采用新的波长转换材料并增加了凹槽设计，34高功率下提升单芯片光效成为业界厂商的竞争焦点 LED裸晶仍保有传统的标准电极结构，因此可继续封装成LED，或直接那来使用，例如直接被固定在电路板或基板上