LED原理及產業(yè)分類
LED是發(fā)光二極體( Light Emitting Diode, LED)的簡稱，也被稱作發(fā)光二極管，這種半導體組件發(fā)展以來一般是作為指示燈、顯示板，但目前隨著技術增加，已經能作為光源使用，它不但能夠高效率地直接將電能轉化為光能，而且擁有最長達數萬小時～10 萬小時的使用壽命，同時具備不若傳統(tǒng)燈泡易碎，并能省電，同時擁有環(huán)保無汞、體積小、可應用在低溫環(huán)境、光源具方向性、造成光害少與色域豐富等優(yōu)點。

隨著白光LED的出現與更多科技的導入，目前在家用電器及筆記本電腦的指示燈、汽車防霧燈、室內照明等照明設備日漸蓬勃，LED的應用越來越普遍。

LED的發(fā)明

在1955年時，美國無線電公司（Radio Corporation of America）的Rubin Braunstein發(fā)現了砷化鎵（GaAs）與及其他半導體合金的紅外線放射作用，而1962年美國通用電氣公司（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出現后，才開始漸漸被重視，而應用面越來越廣。

LED的發(fā)光原理

LED是一種可以將電能轉化為光能的電子零件，并同時具備二極體的特性，也就是具備一正極一負極，LED最特別的地方在于只有從正極通電才是會發(fā)光，故一般給予直流電時，LED會穩(wěn)定地發(fā)光，但如果接上交流電，LED會呈現閃爍的型態(tài)，閃亮的頻率依據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體內結合后，將能量以光的形式釋放。目前全球產業(yè)所發(fā)展出的不同種類LED能夠發(fā)出從紅外線到藍之間不同波長的光線，而業(yè)界也有紫色～紫外線的LED，近年來LED最吸引人的發(fā)展是在藍光LED上涂上螢光粉，將藍光轉化成白光的白光LED產品。LED之所以被稱為世紀新光源，原因在于LED具備點光源與固態(tài)光源的特性，能夠節(jié)省能源、高耐震、壽命長、體積小響應快速、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，進而產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LED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，調配出從紅外線到綠色光范圍內所有波長的LED產品，發(fā)展出常見的紅光LED、黃光LED、橙光LED等等，這3大類LED因為使用了鎵、砷、磷3種元素，故被稱為3元素LED，而藍光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產品會看的發(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)光強度單位燭光（Candle power；CD），3種單位各自有適合使用的領域，但是在數值上是互通的。

1 CD表示完全輻射的物體，在白金凝固點溫度下，每六十分之一平方公分面積的發(fā)光強度。適合用在主動發(fā)光燈具領域，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域，如投影機。

1 Lux表示指1 Lm光量均勻分佈在1平方米面積上的照度。適合用在攝影領域。

一般而言，單一LED的發(fā)光強度以CD為單位，并配上視角參數，而LED的發(fā)光強度從各位數mCD到5,000mCD不等。廠商在標示LED單一產品時，其發(fā)光強度規(guī)格是說LED在20mA電流下點亮時，最佳視角上和中心位置上發(fā)光強度最大點的發(fā)光強度。

LED的節(jié)能效益

基于環(huán)保立場以及節(jié)約能源訴求，全球各國政府重視LED與節(jié)能燈具帶來的經濟與節(jié)能效益，而廠商也看好這次照明革命的商機而紛紛投入。除了歐盟與美國國會均進行階段性禁止白炙燈泡的使用外，目前已經有加拿大宣佈2010年全面禁用白炙燈泡，而美國加州在內的部份州，也要在2012年禁止白炙燈泡，而澳洲則宣佈在2010年全面禁止販售白炙燈泡，中國、日本也有LED的獎勵方案在規(guī)劃中。

雖然目前市面上已經有另一種節(jié)能燈具產品省電型螢光燈（CFL），但由于其照明品質仍舊不夠，啟動時間較一般白炙燈泡長，而且不能調整光源輸出亮度，普及度仍不夠高。LED則具備更多的節(jié)能效益，并且藉由技術的提昇，亮度已經達到讓人滿意的程度，但價格高昂是一大問題，未來隨著全球LED廠商的量產腳步加快，價格降低后可加速LED燈具的普及程度。

LED的壽命：

一般LED的發(fā)光壽命很長，產品大多標明為100,000小時以上，但事實上LED的亮度是會衰減的，在運用一段時間后，亮度會衰撿到原本的一半或甚至更少。但所幸隨著業(yè)界技術的進步，減少LED亮度衰減問題的方案很多。在生產過程中，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係，配色也是LED廠的生產關鍵。

LED的使用壽命，比一般白炙燈泡的1,000小時、日光燈具的1萬小時，LED使用壽命可達5萬小時，大幅降低燈具替換的成本。這項特性幫助 LED 燈具在價格競爭上，有了將一般燈泡替換成LED的好理由，更可藉由這項優(yōu)勢，讓許多原本因經濟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所更安全。比如說公共停車場、冰箱等等應用范圍，美國最大零售業(yè)者威名百貨（Wal-Mart），日前就已經將該公司的冷凍設備改採省電的LED產品。

LED較明顯的缺點就是散熱問題，不當的散熱將導致LED燈具的光度與使用壽命衰減，所幸這部份藉由新技術的加持，漸漸也有了顯著的改善。

LED的應用：

除了我們熟知的各種電子產品上面的LED指示燈外，LED屏幕、LED照明、液晶屏幕用的LED背光源、手機上按鍵的LED背光、新世代的OLED 屏幕、PLED屏幕等等各式各樣關于LED的應用正逐漸穩(wěn)定的發(fā)展中，部份領域的LED應用因為市場發(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。

目前高亮度白光LED光源，是目前美歐日LED大廠競相研發(fā)的重點，預估到了2011年后，LED將在一般照明市場中大規(guī)模普及。雖然亞洲在 2006年高亮度的生產規(guī)模占全球76％市佔率，不過白光LED光源專利為日本的日亞化（Nichia）和T.G.、美國的Cree以及歐洲的 Philips Lumileds和Osram五大廠所掌握；中游模組雖無標準規(guī)格，但仍為國際大廠包括National、Laminar、Osram、Lumiled、 Vishay所主導；美國與日本也開始積極制訂照明應用器具安規(guī)及能源標準。

LED現階段最大的應用是手機按鍵的背光源，各種電子展品的指示燈，而最近應用在廣告看板的大型LED屏幕，還有應用在液晶屏幕的背光源也越來越受到矚目，LED的應用面日趨廣泛。預估在2007下半年可以看到更多LED產品的問世，而2008年LED照明產品能夠進一步地下降到部份消費者能接受的程度，未來的發(fā)展端看各國政府積極應用LED于公共事業(yè)的速度，可望加速LED價格的下滑，當消費者采用的程度也提高，屆時產生的經濟效益與節(jié)能效益很可觀。

LED的全球市場發(fā)展：

在2005年時，全球高亮度LED市場規(guī)模達58億美元，2006年達到66億美元，預估2011年可增加到106億美元，平均年增長率（AAGR）為10.2%。高亮度LED的出貨量2005年達到48億個，計2006年增加到65億個，預估2011年達到88億個，平均年增長率為 10.3%。2005年LED的基板材料銷售額超過10億美元，2006達到11億美元，預估2011年18億美元，平均年增長率為9.7%。

***方面在2006年的LED照明光電產值為新臺幣210億元，2010年將提升到930億元，2015年更可達到5400億元。在上游光源部分，***產量為全球第一，2006年高亮度LED產值不含手機應用高達新臺幣150 億元。***上游LED光源產業(yè)居全球重要地位，因為在紅、綠光LED技術上處于領先位置。下游應用***照明生產品質佳，價格與全球通路是優(yōu)勢。***廠商在液晶面板（LCD）的背光模組全球市佔率達到48％，故臺廠藉此切入開發(fā)LED背光模組也是一項優(yōu)勢，而車用LED產品也被視為重點項目之一。

預估2007年起LED將可逐步代現有白熾燈，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市場前景十分值得期待。未來5年市場應用應以LED看板或顯示的背光源、車用與一般照明為市場發(fā)展主力。

LED是通電時可發(fā)光的半導體材料制成的發(fā)光元件，材料使用III- V族化學元素（如：磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等），發(fā)光原理是將電能轉換為光，也就是對化合物半導體施加電流，透過電子與電洞的結合，過剩的能量會以光的形式釋出，達成發(fā)光的效果，屬于冷性發(fā)光。

LED最大的特點在于：無須暖燈時間(idling time)、反應速度很快(約在10^-9秒)、體積小、用電省、污染低、適合量產，具高可靠度，容易配合應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、通訊產業(yè)、電腦、交通號誌燈、液晶面板用背光源、LED屏幕等。

LED產業(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LED芯片加工，下游為封裝測試以及應用。其中，上游和中游技術含量較高，資本投入密度大。從上游到下游，產品在外觀上差距相當大。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LED產業(yè)極為重要。

上游是由磊芯片形成，這種磊芯片長相大概是一個直徑六到八公分寬的圓形，厚度相當薄，就像是一個平面金屬一樣。常見的外延方法有液相外延法（LPE）、氣相外延法（VPE）以及金屬有機化學汽相沉積（MOCVD）等，其中VPE和LPE技術都已相當成熟，可用來生長一般亮度LED。而生長高亮度LED必須采用MOCVD方法。上游磊晶制程順序為：單芯片(III-V族基板)、結構設計、結晶成長、材料特性/厚度測量。

中游廠商根據LED的性能需求進行器件結構和工藝設計，通過外延片擴散、然后金屬鍍膜，再進行光刻、熱處理、形成金屬電極，接著將基板磨薄拋光后進行切割。依照芯片的大小，可以切割為二萬到四萬個芯片。這些芯片長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。中游芯片制程順序為：磊芯片、金屬膜蒸鍍、光罩、蝕刻、熱處理、切割、崩裂、測量。

下游包括LED芯片的封裝測試和應用。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LED芯片和提高光取出效率的作用。下游廠商封裝處理順序為：芯片、固晶、粘著、打線、樹脂封裝、長烤、鍍錫、剪腳、測試。