半导体照明行业分析报告.docx
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半导体照明行业分析报告
半导体照明（LED）行业分析报告
半导体照明行业分析报告
一、前言/引言
半导体照明作为一种节能减排的新光源，以其节能、环保等诸多优势，作为一个新兴产业越来越受到国内外的广泛关注。
2003年开始，美国和日本先后启动了“下一代照明计划（NGLI）”和“21世纪照明计划”。
为加速我国半导体照明技术和产业化发展，2003年6月，我国科技部启动了国家半导体照明工程。
2008年科技部又推出了“十城万盏”LED应用试点示范城市思路，由中央补助试点城市在公共空间如道路、隧道、停车场与加油站等地方安装LED照明灯具。
2009年10月13日，国家发改委发布了《半导体照明节能行业发展意见》。
意见指出，到2015年，半导体照明节能行业产值年均增长率在30％左右。
2010年2月3日，胡锦涛总书记呼吁加快经济发展方式转变，提高内需与新兴创新产业在经济发展中的作用。
各种迹象表明，中国已着手将刺激政策的重点转向产业升级，依靠科技进步、劳动力素质提高、管理创新来推动经济发展，经济发展方式的转变已成为一项该不容缓的任务。
而半导体照明以其节能、环保的特色，与其他绿色低碳经济将一起成为经济增长、产业升级的主要动力之一。
二、半导体照明行业概览
（一）什么是半导体照明？
当代照明光源可分成白炽灯，气体放电灯、固态光源三大类。
半导体照明亦称固态照明光源,是指用固态发光器件作为光源的照明,包括发光二极管（LED）和有机发光二极管（OLED）。
半导体照明具有耗电量少、寿命长、色彩丰富、耐震动、可控性强等特点。
按国民经济行业分类与代码（GB/T4754－2002），半导体照明归属于通信设备、计算机及其他电子设备制造业（40）下电子器件制造行业（405）中的光电子器件制造及其他电子器件制造子行业。
1、LED是取自LightEmittingDiode三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件，具有二极管的特性。
自20世纪60年代世界第一个半导体发光二极管诞生以来，作为一种全新的照明技术，LED利用半导体芯片作为发光材料、直接将电能转换为光能，以其发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强、环保卫生等优越性，被业界认为是人类继爱迪生发明白炽灯泡后最伟大的发明之一。
本文所讨论的半导体照明未经说明即指LED照明。
2、OLED是英文OrganicLight-EmittingDiode的缩写，即有机发光二极管或有机发光显示器的英文简称，其无需背光源，可以自己发光，其发光原理与LED相似，且可视度、亮度较高，厚度更薄，结构也相对简单，若采用可挠式基板，则可变化成不同形状。
如果说LED是未来的发展方向,那么OLED就是未来的未来。
由于OLED技术的超前性，目前虽然研发投资增长较快，但由于成本高、市场占有率很少，短期内看不到盈利前景，本文不作重点讨论。
（二）LED的技术原理和结构
1、LED发光的原理：
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合时,多余的能量便以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
资料来源:
财富证券资料来源:
互联网
图1：
LED发光原理
（1）图2：
LED发光原理
（2）
理论上,将1W能量全部转化为555nm波长的黄光时产生的光通量可达683lm/W,若全部转换为白光则约为360lm/W。
目前所报导的LED最高光效只达到这一理想值的1/2,这正是人们认为LED尚有巨大潜力可挖、对其寄以厚望的原因所在。
2、LED的基本结构LED是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。
LED的核心是半导体芯片由两部分组成的：
一部分是P型半导体，其中里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，其中主要是电子。
图3:
LED发光二极管的两种结构
资料来源:
互联网
表1：
LED材料与对应波长和光色
资料来源:
互联网
（三）LED产品应用与分类
从发展历程来看，LED已从最早的指示灯发展到照明领域，照明通常划分为通用照明和特殊照明两大领域。
随着LED发光效率和光强的不断提升，LED已经向特殊照明的纵深发展，并逐步进入通用照明领域。
LED的应用范围主要由LED芯片发光强度（mcd，毫坎德拉）和发光效率（lm/w，流明/瓦）决定。
发光强度越大、发光效率约高，则运用越发广泛。
常用LED产品分类方法有以下几种：
◆按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。
另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
◆根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。
◆按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。
圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。
国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。
◆按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度<10mcd）；超高亮度的LED（发光强度>100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。
普通亮度主要用于指示灯；高亮度用于特殊照明；而超高亮度则可以进一步用于通用照明。
资料来源：
IEK
图4：
LED分类及产品应用
（四）LED照明行业产业链、价值链及供应链构成
1、LED照明行业产业链。
LED产业链大致可以分为四个部分：
上游产业（材料及配件，主要包括外延材料和芯片制造）、中游产业（主要包括各种LED器件和封装）、下游产业（主要包括各种LED的应用产品产业）以及测试仪器和生产设备。
具体见下图。
图5：
LED产业链
也有按LED生产流程分，把LED行业分为上游外延片生产、中游芯片制造、下游芯片封装三个部分的。
2、原材料及配件。
通常看LED有五大原物料：
芯片，支架，银胶，金线，环氧树脂，其中芯片是最重要的组成部分。
如细分的话，原材料和配件主要包括LED用胶、LED辅料、荧光粉、铝基板、EL冷光片、LKD透镜、LED驱动器、电源、外延片、芯片及其它LED材料及配件和LED控制IC等。
常用来制造LED发光二极管的半导体材料（基板材料和发光层材料）主要有砷化镓、磷化镓、镓铝砷、磷砷化镓、铟镓氮、铟镓铝磷等III-V族化合物半导体材料，其他还有IV族化合物半导体碳化硅、II-VI族化合物硒化锌等。
它们大部分是III-V族化合物半导体单晶，生产工艺比较成熟。
其他还有金属高纯镓，高纯金属有机物源如三甲基镓、三乙基镓、三甲基烟、三甲基铝等，高纯气体氨、氮氢等。
制造LED发光二极管的原材料纯度一般都要在6N以上。
不同的基板材料，和不同的发光层材料，对应不同的波长，也对应不同的颜色。
由于蓝绿光和白光是未来的发展方向，也是现在的主流产品，蓝宝石作为基板目前使用最多。
表2：
不同基板材料和不同发光材料与波长、颜色
用于封装的材料有环氧树脂、ABS、PC、PPD等。
外延材料的测试仪器主要有x射线双晶衍射仪，荧光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等。
芯片、器件测试仪器主要有LED光电特性测试仪，光谱分析仪等，主要测试参数为正反向电压、电流特性、法向光强、光强角分布、光通量、峰值波长、主波长、色光标、显色指数等。
生产设备则有MOCVD设备、液相外延炉、镀膜机、光刻机、划片机、全自动固晶机、金丝球焊机、硅铝丝超声压焊机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片检测仪、倒膜机、光色电全自动分选机等。
3、LED外延与芯片制造。
LED的外延片生长主要有LPE（液相外延）、VPE（气相外延）和MOCVD（有机金属气相外延）技术，前两者主要用来生产传统LED，后者用于生产高亮度LED。
超高亮LED的外延方法主要有两种，即液相外延生产AlGaAsLED和金属有机物化学气相淀积（MOCVD）生产AlGaAs、AlGaInP和InGaNLED，以MOCVD方法为主。
LED芯片是由P层半导体元素，N层半导体元素靠电子移动而重新排列组合成的PN结合体。
主要由金垫、P极、N极、PN结、背金层构成（双pad芯片无背金层）组成。
LED芯片按极性分类可分为：
N/P，P/N。
按发光部位分为表面发光型（光线大部分从芯片表面发出）和五面发光型（表面，侧面都有较多的光线射出）。
如果按组成分可分为：
二元、三元、四元LED芯片。
所谓的二元、三元、四元LED芯片，是指该芯片中所含有效元素的数目。
如果按组成元素分可以分为以下几种类型:
A.二元芯片（磷、鎵）:
H、G等（有两种有效元素）
B.三元芯片（磷、鎵、砷）:
SR、HR、UR等（有三种有效元素）
C.四元芯片（磷、铝、鎵、銦）:
SRF、HRF、URF、VY、HY、UY、UYS、UE、HE、UG等。
三元LED芯片是指主要含有三种元素的LED芯片，如HY、HO、IR、SR等产品，被称为三元LED。
其可见光亮度一般较四元（四种元素）LED要低，全彩显示幕所用的红光芯片大部分是四元系产品，其特点是亮度高。
三元LED芯片和四元LED芯片的区分，主要在于它们的发光区的半导体材料不同。
如三元LED芯片有GaALAsGaAsP等。
四元芯片是指InGaALP。
虽然三元与四元的材质不同，四元亮度较高，但四元LED有IR等电性不良比三元多，要防静电，较难作业。
图6：
芯片制造流程
目前，全球主要LED芯片供应商有：
●国外主要芯片供应商：
克雷（Cree），惠普（HP），日亚化学（Nichia），丰田合成（ToyodaGosei），大洋日酸，东芝（TOSHIBA）、昭和电工（SDK），Lumileds，旭明（Smileds），Genelite，欧司朗（Osram），GeLcore，首尔半导体（SSC）等，普瑞，韩国安萤（Epivalley）等。
1、Nichia：
日亚化学，著名LED芯片制造商，日本公司，成立于1956年，开发出世界第一颗蓝色LED（1993年）,世界第一颗纯绿LED（1995年）,在世界各地建有子公司。
日亚化学是GaN系的开拓者，在LED和激光领域居世界首位。
在蓝色、白色LED市场遥遥领先于其他同类企业。
它以蓝色LED的开发而闻名于全球，与此同时，它又是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化工厂商。
在该公司LED的生产当中，70％是白色LED，主要有单色芯片型和RGB三色型两大类型。
此外，该公司是世界上唯一一家可以同时量产蓝色LED和紫外线LED两种产品的厂商。
以此为基础，日亚化工不断开发出新产品，特别是在SMD（表面封装）型的高能LED方面，新品层出不穷。
2003年全球LED市场约为6000亿日元，日亚化工占据了约25％的全球市场份额。
2、Osram：
欧司朗是世界第二大光电半导体制造商，产品有照明，传感器，和影像处理器。
公司总部位于德国，研发和制造基地在马来西亚，约有3400名员工，2004年销售额为45.9亿欧元。
最出名的产品是LED，长度仅几个毫米，有多种颜色，低功耗，寿命长。
3、Cree：
美国克雷公司，著名LED芯片制造商，产品以碳化硅（SiC），氮化镓（GaN），硅（Si）及相关的化合物为基础，包括蓝、绿、紫外发光二极管（LED）,近紫外激光，射频（RF）及微波器件，功率开关器件及适用于生产及科研的碳化硅（SiC）外延片。
4、ToyodaGosei：
丰田合成，总部位于日本爱知，生产汽车部件和LED，LED约占收入10%,丰田合成与东芝所共同开发的白光LED，是采用紫外光LED与萤光体组合的方式，与一般蓝光LED与萤光体组合的方式不同。
5、大洋日酸：
日本大洋日酸公司主要生产MOCVD设备，其有机金属气象化学沉淀技术的研究和开发可以追溯到1983年。
大洋日酸研发了一系列高纯度气体如AsH3,PH3和NH3的专业应用技术，以及用于生产LD和LED产品的MOVPE设备，还开发了用于吸收这些应用产生的大量废气的净化系统，并使之商品化。
到目前为止，大洋日酸已经为从研发机构到生产厂商等有着不同需求的客户提供了超过450台的MOCVD设备。
6、TOSHIBA：
东芝半导体是汽车用LED的主要供货商，特别是仪表盘背光，车子电台，导航系统，气候控制等单元。
使用的技术是InGaAlP，波长从560nm（puregreen）到630nm（red）。
近期，东芝开发了新技术UV+phosphor（紫外+荧光），LED芯片可发出紫外线，激发荧光粉后组合发出各种光，如白光，粉红，青绿等光。
7、Lumileds：
全球大功率LED和固体照明的领导厂商，总部在美国，工厂位于荷兰，日本，马来西亚，由安捷伦和飞利浦合资组建于1999年，2005年飞利浦完全收购了该公司。
其产品广泛用于照明，电视，交通信号和通用照明，LuxeonPowerLightSources是其专利产品，结合了传统灯具和LED的小尺寸，长寿命的特点。
还提供各种LED晶片和LED封装，有红，绿，蓝，琥珀，白等LED。
8、SSC：
首尔半导体是韩国最大的LED环保照明技术生产商，并且是全球八大生产商之一。
主要生产全线LED组装及定制模组产品，包括采用交流电驱动的半导体光源产品等。
产品已广泛应用于一般照明、显示屏照明、移动电话背光源、电视、手提电脑、汽车照明、家居用品及交通讯号等范畴之中。
●台湾主要芯片供应商：
晶元光电（Epistar，简称ES，合并联诠、元坤、连勇、国联后），广镓光电（Huga），新世纪（GenesisPhotonics），华上（ArimaOptoelectronics，简称：
AOC），泰谷光电（Tekcore），奇力，钜新，光宏，晶发，视创，洲磊，联胜（HPO），汉光（HL），光磊（ED），鼎元（Tyntek简称TK），曜富洲技（TC），燦圆（FormosaEpitaxy），国通，联鼎，全新光电（VPEC）。
此外还有华兴（LedtechElectronics）、东贝（UnityOptoTechnology）、光鼎（ParaLightElectronics）、亿光（EverlightElectronics）、佰鸿（BrightLEDElectronics）、今台（Kingbright）、菱生精密（LingsenPrecisionIndustries）、立基（LigitekElectronics）、光宝（Lite-OnTechnology）、宏齐（HARVATEK）等。
●大陆主要芯片供应商
内资企业主要有：
三安光电简称（S）、上海蓝光（Epilight）简称（E）、士兰明芯（SL）、大连路美简称（LM）、迪源光电、南昌欣磊、上海金桥大晨、河北立德、河北汇能、深圳奥伦德、深圳世纪晶源、广州普光、扬州华夏集成、甘肃新天电公司、东莞福地电子材料、清芯光电、晶能光电、中微光电子、乾照光电、晶达光电、深圳方大、山东华光、上海蓝宝等。
外资血统企业如武汉华灿光电、厦门晶宇、厦门明达和晋江晶蓝等。
4、LED封装技术及产品结构。
LED产品封装结构通常分为点光源、面光源和发光显示器三类，单个管芯一般构成点光源，多个管芯组装一般可构成面光源和线光源，作信息、状态指示及显示用，发光显示器也是用多个管芯串联和并联组合而成的。
表3：
LED封装产品结构及特征
目前全球LED主要封装厂商有日亚化学、丰田合成、CREE、GELCORE、LUMILEDS和OSRAM等。
5、LED照明行业价值链。
上游生产和中游制造环节由于技术含量高、资本投入密度大，是国际竞争最激烈、经营风险最大领域。
其中外延材料与芯片制造，属于技术和资金密集行业；中游产业器件与模块封装以及下游产业显示与照明应用，属于技术和劳动密集型行业。
从价值构成看，在LED产业链中，LED外延片与芯片约占行业70%利润，LED封装约占10-15%，而LED应用大概占10-20%。
6、LED照明行业供应链。
与LED生产相配套的供应链除了生产流程外还包括材料和设备供应。
生产外延片的常用材料主要有砷（As）化镓（Ga）、磷（P）化镓（Ga）、GaN（氮化镓）和AlGaInN等。
历史上第一个LED所使用的材料是砷（As）化镓（Ga），发出的光线为红外光谱。
另一种常用的LED材料为磷（P）化镓（Ga）。
在LED生产过程中需要很多设备，从蓝宝石衬底加工用的单晶炉、多线切割、研磨抛光等设备，到MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积）、退火炉等设备，再到与IC芯片工艺相类似的设备，如光刻机、刻蚀机、清洗机、蒸发镀膜等，最后到封装用的固晶机、金丝/铝丝球焊机、分选机等等，种类繁多。
其中，MOCVD、等离子刻蚀机等生产LED的关键设备，技术含量很高。
目前国际上供应MOCVD设备的公司主要有三个，即美国Veeco公司、德国的Aixtron公司和美国的ThomasSwan公司。
（五）LED与其他照明光源比较
1、能效转换、使用寿命及特点比较
表4：
白炽灯、日光灯、LED照明三种照明光源比较
2、成本比较
●LED照明成本构成
首先，从灯具生产成本看。
以日本市场为例。
LED灯泡2009年在日本的销售价格为4000日元以下，是原来的一半左右，因此需求得以迅速提高。
2009年日本国内的LED灯泡销量约为170万个，预计2010年其规模将超过400万个。
2009年LED灯泡的成本分析结果如图所示。
LED灯泡的部件及材料成本占整体的约50％。
这些部材成本中，LED封装占其一半左右。
另外，安装底板、电路底板及散热片所占的比例也较高。
数据来源：
TechnoSystemsResearch（TSR）
图7：
LED灯泡的成本分析
其次，从LED灯泡的使用成本支出看。
消费者使用LED的总成本包括投资成本和运行成本。
根据中投证券研究所2008年底援引美国圣地亚国家实验室所做的LED照明成本分析，投资成本指将购买成本按使用周期分摊后平均每照明单位（每兆流明）的成本，运行成本指灯泡在使用运行过程中平均每照明单位（每兆流明）的成本，二者之和即为拥有成本（总成本）。
到2012年，其拥有成本将降到0.77美元/兆流明时,将低于荧光灯的1美元/兆流明,到2020年,其拥有成本将到0.48美元/兆流明时,其拥有成本将只有荧光灯的一半。
表5：
LED照明成本分析
●与其他光源的比较
LED灯泡与荧光灯、白炽灯比较。
据日本LED协会估计：
在某些情况下，LED照明的整体成本（照明灯具加上电费）已经优于荧光灯解决方案。
对于亮度相当于60W的LED灯泡而言，40000小时寿命周期的总成本约为10000日元；同样是40000小时照明，使用白炽灯时，由于每个灯泡的寿命只有1000小时，则其总成本将超过50000日元；使用荧光灯泡时，其成本约为16000日元（见图4）。
当累计照明时间超过14000小时，LED灯泡的整体成本就将优于荧光灯泡。
可见，LED照明具有长期成本优势。
图8：
三种照明器具的整体成本
日本LED协会估计，到2012年左右，LED每单位亮度的成本将下降到每流明1日元——这是进入实用化的关键目标。
实际上，这个日期将有可能大幅提前。
日亚化学工业公司的田崎登解释说：
“目前，LED照明价格每年的下降幅度都在20%以上，我认为今后的价格下降速度不会放缓。
”
LED背光模组与传统CCFL背光模组比较。
CCFL背光模组目前主要用于液晶显示领域如液晶电视、台式电脑等，而这些领域也是LED背光模组的应用市场。
据申银万国研究报告，采用LED（LightEmittingDiode）背光模组的电视比传统LCD电视在外观、画质、节能方面更具优势。
如下表所示,LED电视采用发光二极管作为背光源,比CCFL背光的传统液晶电视在厚度、画面质量、寿命、节能环保上更具优势,目前已成为业内公认的LCD电视发展方向。
表6：
LED电视在多项性能上优于传统LCD电视
LED电视
传统LCD电视
背光源
LED（发光二极管）
CCFL（冷阴极荧光灯管）
厚度
7-40mm
100mm左右
寿命
20,000~200,000小时
8,000~100,000小时
色域
105%以上NTSC色域范围
80%NTSC色域范围
节能环保
不含汞、省电
含汞、相对耗电
资料来源:
申万研究
由于LED背光在色彩表现、厚度和节能方面相较CCFL有着明显优势，因此被认为是未来主流背光技术,但是价格一直是阻碍它加速普及的一个重要因素。
随着LED背光模组价格的持续下滑，其价格将逐渐降至可接受范围内，并最终对CCFL产生明显的替代。
随着更多厂商对LED背光技术的研发，其成本价格也在逐步下降。
根据市场调研公司DisplaySearch2010年2月发布的统计报告，LED背光模组成本的下降幅度超过了传统CCFL背光模组。
以40寸LED背光液晶电视为例，该LED背光模组的成本平均价今年一季度时还为118美元，到四季度时这一数字将下降至100美元。
另外有研究表明：
40寸液晶电视LED背光模组的成本价格下降到100美元时，和CCFL背光模组的价格差距将从2009年初的3.7倍降低至2.8倍。
图9：
LED背光模组与传统CCFL背光模组成本比较
图10：
2009年12月LED面板与CCFL面板价差
（六）为什么LED光源称为绿色光源
1．不含汞。
汞是一种极其有毒的物质，然而几乎大多数目前采用的高效电光源中都含有汞，而LED灯是一种完全不含汞的全环保产品。
各种电光源的含汞量如下表所示：
表7：
各种电光源的汞含量
26mm日光灯
金卤灯
高压钠灯
节能灯（10mm）
各种LED
25-45mg
20-25mg
12-14mg
10-15mg
0
2．没有紫外线辐射。
所有利用汞蒸汽发光的电光源中，都是利用电子轰击汞蒸汽而产生紫外线。
这种紫外线也是一种环境污染。
美国GE公司建议人类曝晒于日光灯下不要超过16小時。
紫外线对于人体的伤害是终生累积的总量。
这对于那些爱美的女孩子是至关重要的。
3．无电磁辐射。
荧光灯、三基色荧光灯、节能灯均工作在高频高压状态都不可避免地带来不同程度的电磁辐射。
目前大多数电脑的液晶显示器也是用类似于日光灯的冷阴极荧光灯作为背光的。
据英国剑桥大学医学研究中心阿诺德۰威尔金（A·Waling）博士、国际照明委员会维也纳总部J.斯切德（J.Schanda）教授研究表明电磁辐射可能导致心悸、失眠、白细胞减少、记忆力减退，使心血系统、神经系统受损。
LED光源在直流/低压状态下工作，无电磁辐射。
正是由于LED光源具有以上特性，除其驱动电源有极低的电磁辐射外，基本杜绝了各种污染，因此可以称为真正的“绿色光源”。
三、世界半导体照明行业的发展状况
（一）各国政府竞相出台措施扶持半导体照明行业发展
一些发达国家和地区先后出台半导体照明发展的战略计划，并出台相应的举措，促进当地半导体照明产业发展。
美国大力发展半导体照明产业，目前已拥有Lumileds公司、Gree公司、ColorKinetics（CK）公司，已经着手启动“下一代照明计划”（NGLI）。
其发展的举措主要有：
搭建信息网络平台，加强标准建设；选择科技创新作为产业突破口，成为产业技术领先者；垂直整合度高，产业链完整；在市场调节方面，自由竞争和垄断相结合；发达的资本市场；政府的支持是产业发展重
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