發光二極體(LED) 愈發愈光(一)

壹、結論與建議

1. 由於發光二極體具有省電環保等多項優勢，又有各國政府大力支持，近來產品應用市場逐漸擴大，未來在發光亮度持續增加，產品價格持續下降之下，勢必將逐步取代愛迪生發明的白熱燈，成為全世界主流照明光源，估計到2003年市場規模將達40億美元，復合年成長率逾11%。
2. 台灣LED產業下游封裝進入最早，發展也最成熟，至於一向供不應求的上游磊晶片，佔晶粒製造成本高達70%，近年來加入生產者日漸增加，對專利研發日益重視，產業結構日趨健全；在產業生態上有別於其他國家，上游磊晶片(wafer)、中游晶粒(chip)、下游封裝(packaged)專業分工經營，經營彈性較大。
3. 由於應用市場持續增加，通訊產品銷售高幅成長，以及國內廠商積極開發不可見光LED領域和相關產品，自去年底以來LED景氣持續回升，國內LED相關上市公司月營收持續攀高，6月份多家創下歷史新高，包括光寶、光磊、億光、博達、鼎元、一詮等。
4. 發光二極體上游磊晶製作屬於化合物半導體領域，與矽半導體比較，具有較高的電子遷移速率、高頻率使用範圍、低功率損耗等優勢，近來逐漸受到重視，產品包括無線通訊使用的微波元件(HBT、PHEMT、MESFET)，光纖通訊、雷射二極體，太陽能電池，雷達，衛星等，各類應用產品蓬勃發展，使LED上游國聯、博達等公司水漲船高，具有高度發展潛力。
5. 發光二極體衍生產品-有機發光二極體(OLED)，發光原理和LED相似，同樣是利用材料特性，運用電子與電洞結合後發出光源。由於具有高應答速度、省電、無視角限制、可全彩化、重量輕等廣泛應用特性，極具發展潛力，預估到2003年會有10億美元市場。國內較積極廠商包括錸德、精碟、國碩、台達電、聯宗光電(國聯轉投資)、光磊、偉聯工業、勝園(勝華轉投資)等。
6. 由於產能增加快速，傳統亮度LED毛利率已壓縮至10%左右，高亮度LED雖毛利較高，但價格持續下跌，因此中下游廠商除加強製程管理，擴大規模經濟外，需積極開拓高毛利產品，提昇獲利能力。如不可見光(紅外線)LED、藍光、白光、SMD、全彩LED、感測(矽)元件等產品；億光擴充產能，朝世界SMD第一大廠邁進。

發光二極體(LED/Light Emitting Diode)是半導體材料製成的發光元件，具有體積小，壽命長、用電省、反應速率快、耐震性佳及污染少等優點，符合世界輕、薄、短、小、可攜帶的潮流需求，已成為日常生活中十分普及產品，且應用領域及市場規模不斷擴大，如汽車、通訊產業、電腦、交通號誌、顯示器等，另外，不可見光LED方面，因光纖通訊及紅外線無線數據傳輸應用蓬勃發展，未來市場成長可觀。

LED產品介紹

LED屬於半導體元件，材料使用III-V族化學元素，如：磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等，其發光原理係將電能轉換為光；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，達成發光的效果。其發光現象不是藉加熱或放電發光，而是屬於冷性發光，壽命長達十萬小時以上，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製成極小或陣列式的元件，所以發光二極體的適用範圍頗廣。

LED產品製程

LED上游磊晶片製作，是將一層或多層單晶層成長於單晶基板(Substrate)上，形成含有多種化學元素累積的晶片，具有不同元件功能。由於LED發光顏色與亮度由磊晶材料決定，且磊晶佔LED製造成本70%左右，對LED產業極為重要；中游將磊晶片蒸鍍金屬後製作電極(Metallization)，平台蝕刻(Mesa Etching)，切割崩裂成單顆的晶粒。下游則封裝晶粒，製成各式LED成品，如指示燈、數字顯示器、點矩陣顯示器、紅外線發射器等產品。

LED上中下游產品製程

磊晶片成長技術

磊晶成長涉及高難度化學變化過程，舉凡各種元素用量，成長設備壓力、溫度，晶片放置角度位置等，均會影響產品品質與良率，需由工程師作精細調整，技術難度極高。各種磊晶技術適合成長特定材料磊晶，目前90%LED磊晶由VPE及LPE技術成長，但所生產產品除紅色LED屬高亮度外，其餘均為中低亮度之綠、黃、橙色產品，利潤較低，MOCVD技術所生產高亮度紅、橙、黃、綠光LED及藍光LED，單價及利潤較高，而MBE技術目前以生產微波元件為主。

各種磊晶成長技術比較

LED產品分類

LED種類繁多，依其發光波長可大致分為可見光及不可見光兩大類。可見光以顯示用途為主，通常以1燭光(cd)為傳統LED與高亮度LED之分界；不可見光LED中，短波長紅外光可做紅外線無線通訊使用，長波長紅外光則使用於短、中距離光纖通訊上，作為光通訊用光源。

LED各種產品使用情形

LED發光顏色、亮度分布

LED發光顏色由其發光波長決定，可見光波長大約介於450-780nm之間，而發光波長由上游磊晶片決定，不同化學元素累積結合成不同性質磊晶，各元素比例結構也會影響磊晶性質。AlGaInP適合於高亮度紅、橘、黃、及黃綠光等LED，世界主要廠商為HP(Agilent technologies)和Toshiba；InGaN適合於高亮度綠、藍、紫、及紫外光LED；在藍光LED的領域中，所開發LED發光效率依序為日亞化學(Nichia chemicals)、豐田合成(Toyoda Gosei)、美國Cree research公司。

各種磊晶元素發光顏色及亮度

LED發展沿革

世界最早LED商品出現在1968年，化合物半導體結晶成長技術逐漸成熟，美國HP公司首先使用GaAsP製成黃光LED，產品大部分用於手錶及計算機上，不過由於其發光效率過低，應用產品無法普及；隨後技術不斷突破，發光亮度持續提昇，1993年日本Nichia公司成功開發出藍光LED，使得LED全彩化產品得以實現。由於LED低耗電高壽命等優勢，逐步打開了LED的應用市場，如大型看板、指示燈、汽車用燈、交通號誌燈、手機、掃描器、傳真機用之光源等。

LED發展里程碑

LED產業性質

1. 產業處黎明階段、未來應用發展空間極大

目前LED在亮度及價格上，尚未具備取代傳統照明光源條件，但隨著技術不斷突破，亮度持續提高，預計2003年在亮度上會超越現存發光源，價格也將因需求規模與量產技術改進，持續下跌，將逐步取代白熱燈與日光燈，且由於其體積小、用電少、壽命長等特性，各種新應用產品的推出，將帶動LED產品用量。

LED各領域應用產品

     2.  進入門檻為開發速度與專利權

LED黃光及紅光技術日趨成熟，但藍光開發最慢且亮度最差，也因此價格最貴，幾乎是其他顏色10倍以上，因此市場最大，但最早開發的日本Nichia為擁有獨占利益，一連串申請了多項專利保護，因此各廠在發展藍光LED時，很難避免掉此專利保護問題。Cree則使用碳化矽(SiC)作為基板，可避開Nichia的專利問題，但發光亮度較低。然而，在供應來源仍少，但需求量大的情況之下，在室內用亮度較低的市場中，Cree的藍光LED仍呈現供不應求的狀況。而其他國家(包括台灣)由於沒有申請到專利，即使有能力製造也無法銷售。

各國藍光元件專利權申請數

     3.  受到各地政府大力支持

由於LED各項優勢，尤其是在能源與環保方面，美、日、歐盟皆由官方成立專案，編列預算與計劃推行，因為LED耗電量約只有傳統燈泡10%，而全球照明用電約佔總用電20%，台灣若以LED取代傳統光源，每年約可省下一座核能電廠電力，以台北市政府為例，為符合「經濟」、「省電」及「環保」原則，台北市交通管制工程已於2000年6月率先於仁愛、光復南路口試辦LED號誌燈面，結果每日耗電量從原有白熾燈泡的55度變成10度，用電節約了80%，以台北市1,650處號誌路口來計算，全年約可節省2,710萬度電。

各地政府LED推行計劃