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1、 LED外延片行业发展综述1.1 LED产业链结构及价值环节（1）LED产业链结构简介 LED元件按照其制作过程分为上游单晶片与磊晶片制作，中游晶粒制作（将单晶片经过光刻、腐蚀等程序切割出LED晶粒），下游则通过封装制成LED成品，详见下图： 图表 1 LED产业链图表来源：本研究中心整理（2）LED产业链价值环节 位于产业链中、上游的芯片制作及晶圆材料的制作由于技术难度较高，且西方对中国的技术封锁，该领域的为美国、欧洲（主要是德国）及日本的企业所垄断，有少数台湾企业具备这个领域的核心技术，有竞争力的本土企业较少，特别是在大功率LED方面，几乎没有本土企业。 我国LED封装企业总体上以民营企业
2、为主，从业人员年轻化，文化程度参差不齐，企业增长较快，对外来产品、技术的模仿能力极强。企业注重短期效益，忽视品牌建设，缺乏长期的战略规划。 位于下游的LED封装企业，60%分布在中国大陆地区，且臣不断上市的趋势，所以，中国大陆地区是名符其实的世界LED封装基地。 （3）LED产业链投资情况LED行业具有比较长的产业链（包括上游、中游、下游及应用产品），每一领域的技术特征和资本特征差异很大，从上游到中游再到下游，行业进入门槛逐步降低。上游外延片具有典型的“双高”（高技术、高资本）特点，中游芯片技术含量高、资本相对密集，下游封装在技术含量和资本投入上要低一些，而应用产品的技术含量和资本投入最低。仅
3、从投资规模看，LED产业链各环节的情况大致如下： 图表 2 LED产业链各环节投资规模（4）LED产业链竞争格局从我国国内来看，上游和中游的外延/芯片领域受到资本实力强大的企业的关注，这些企业有上市公司（如江西联创、长电科技等），也有资本雄厚的民营企业（如深圳世纪晶源、厦门三安、大连路美等），目的是通过上游和中游高端切入，力争在LED领域占据主导地位；但该领域投资额度大，专业技术人才比较匮乏，投资风险比较大，已投资企业的回报率还不高。 下游封装领域近期也受到投资者的高度关注，相对于外延芯片“双高”的特点，投资封装领域不但可以降低技术风险，且投资规模适中，更加接近于应用市场而降低市场风险，故受到
4、投资者的青睐，尤其是对功率型封装更加充满期望。 应用产品的市场准入门槛最低，是直接面对终端市场的领域，技术风险小、投资额低而且回收快，是小额资本进入LED行业的首选，如圣诞灯、草坪灯、手电筒、指示灯、信号灯等产品，这类企业在深圳、广州、厦门、宁波等地已经形成了产业集聚；但因该领域进入门槛低，市场竞争日益激烈，定单对企业的生存与发展致关重要，多数厂商采取低价竞争策略，产品品质缺乏基本保证。1.2 LED外延发光材料的选择（1）LED发光技术的基础1）半导体自发发射跃迁在光电子学中，一切与光有关的现象都可以认为是量子现象，或者说是物质中有关量子相互作用和能量相互转化的结果，其表观结果通常显示为量子
5、跃迁。在半导体中，与光有关的量子（电子或空穴）跃迁绝大部分是发生在导带和价带之间，根据其跃迁性质可以分为三类：A 受激吸收：当适当能量的光子与半导体相互作用，将能量传递给价带中的电子使之跃迁到导带，从而在半导体中出现电子-空穴对，这就是受激吸收。光电导、光探测器、光伏电池都是基于这个原理。B 自发发射：在一定外部环境下（例如一定的外加电压），如果导带中的电子和价带中的空穴以一定的几率复合，并以光子的形式放出复合的能量，则称这一过程为自发发射跃迁。这就是 LED 的工作原理。C 如果上述导带电子和价带空穴复合过程不是自发的，而是在适当能量的光激励下进行的，那么复合产生的光子就与激发该过程的光子具
6、有完全相同的特性。这种跃迁过程成为受激发射。这就是半导体激光器（LD）的工作原理。图表 3 在半导体中与跃迁有关的三种光效应2）半导体自发发射跃迁特点正是由于半导体中的量子跃迁不是发生在分立、有限的电子态（气体发光器），而是发生在非局部能级的导带与价带之间，因此半导体在自发发射（发光）工作状态中具有一些重要特点：A 能带中电子态密度高，因而具有很高的量子跃迁效率。B 半导体中同一能带内处在不同激励状态的电子态之间存在强烈的相互作用，这种相互作用过程的时间常数与辐射过程的时间常数比是很短的，因此每个带内激励态之间的准平衡始终得以维持。这就为半导体发光器带来很高的量子效率和很好的高频响应特性。C
7、半导体中的电子可以通过扩散或者传导在材料中传播，可以将载流子直接注入 LED 的有源区，因而能量转换效率高。目前红光 LED 量子内效率已接近 100%，蓝绿光 LED 量子内效率也达到了 50%（2）半导体能带特征和外延材料选择1）可见光波长与外延半导体禁带宽度的关系从波矢空间中观察，半导体的能带通常不是平直的，而是连续弯曲的，因此导带中存在一个能级最低、最靠近价带的点，称为导带底，而价带中也存在一个能级最高、最靠近导带的点，称为价带顶。所谓禁带宽度，指的就是导带底和禁带顶之间的距离。因此，从导带底与价带顶之间电子-空穴复合所放出的光子，其能量（波长）基本上对应于该半导体禁带宽度。显然，禁带
8、宽度和半导体释放的光子能量（波长，色彩）存在对应关系。理论计算表明，在直接跃迁中，半导体对光子的吸收系数对光子能量与禁带宽度之差呈现平方根关系，即图表 4 不同外延半导体的禁带宽度以及对应的光子波长从上图可以看出，GaP、CdSe、CdS、SiC 等是位于禁带宽度位于可见光范围的常见半导体。2）直接跃迁与间接跃迁如果导带底和价带顶位于同一个波矢，则我们称这是发生的跃迁为直接跃迁。反之，如果导带底和价带顶并不总是处于同一个波矢，则称之为间接跃迁。如果间接跃迁发生，则自发发射跃迁的过程还需要声子的参与（即获得一定动量），这样，跃迁就成了一个二级过程，跃迁的概率大大缩小。图表 5 直接和间接跃迁一般
9、来说，间接跃迁的光吸收系数为 1103cm-1数量级，而直接跃迁的光吸收系数为104106cm-1数量级，二者相差三个数量级。所以，发生直接跃迁的半导体，其光发射系数和转化效率都要远远高于发生间接跃迁的半导体。导带底和价带顶位于同一波矢，一开始便发生直接跃迁的半导体称为直接带隙半导体，砷化镓、磷化铟等 III-V 族半导体都属于这种类型，而导带底和价带顶位于不同波矢，一开始发生的是间接跃迁的半导体称为间接带隙半导体，元素半导体硅、锗等都属于这一类。另外，有一部分半导体中只存在电子或者空穴一种载流子，这种半导体中出现发射跃迁的概率比具有两种载流子的半导体要小得多。3）外延材料选择结合禁带宽度、跃
10、迁类型和载流子类型，可以发现唯有 III-V 族化合物半导体和部分具有双载流子的 II-VI 族化合物半导体具有 LED 应用的潜质。图表 6 半导体材料特性比较由于可以在 GaAS 衬底上容易的实施外延工艺，AlGaInP 四元系化合物半导体在 90年代之前一直是 LED 商业化生产的不二选择。该四元化合物由 AlP、GaP、InP 三种 III-V族化合物组成，由 In 在 III 族元素的比例决定晶格常数，而由 Al 与 Ga 的比例决定禁带宽度。但由于 AlP 与 GaP 本身的禁带宽度上限限制，这种四元化合物只能发出红黄光。90 年代后蓝宝石衬底上 GaN 结构的横空出世，使 LED
11、 商业化生产突破了蓝绿光的局限，并使得 LED 彩色显示屏及 LED 交通灯等应用得以问世。GaN 目前已是制造高亮度蓝绿光元件最成功的外延基础材料。GaN 外延材料依赖于在发光层中掺入适量 AlN 以调节禁带宽度，形成不同颜色的蓝绿光。AlN 具有 III-V 族材料中最大的禁带宽度 (6.2 eV)。 AlN 一般掺杂量在 5%左右。1.3 LED芯片行业发展现状分析（1）全球LED芯片行业市场分析1）全球LED芯片市场规模近年来，LED芯片市场规模、产值及企业数量都保持着增长态势。根据统计数据显示，2017年全球LED芯片市场规模将达510亿元，同比增长13.8。图表 7 全球LED芯片
12、市场规模（亿元）2）全球LED芯片竞争格局自1993年1月以来，英特尔一直是世界上最大的芯片制造商，其销售的386和486处理器有力冲击了日本芯片企业，比如NEC和东芝。1993年发布的第一个代奔腾CPU以及之后十年Windows95和98个人计算机的蓬勃发展，将英特尔推上了业界龙头地位。目前，英特尔的年营收率仍然在继续增长无论是从PC、数据中心服务器，还是物联网芯片。2016年英特尔仍是全球最大芯片供应商，全年芯片销售额达5409亿美元，较2015年增长46，市场份额达157；第二位是三星电子，2016年芯片收入达401亿美元，较2015年增长59，占117市场份额；高通排名第三，芯片收入达
13、154亿美元，较2015年下降44；SK海力士排名第四，销售额为147亿美元，较2015年下降102。值得注意的是，2016年芯片销售额排名第五的博通，去年排名仅17名，一下子跃升12个名次，2016年芯片销售额达132亿美元，较2015年的45亿美元增长1911。3）全球LED芯片区域分布目前，全球LED芯片市场主要分为三大阵营：以日本、欧美厂商为代表的第一阵营；以韩国和中国台湾厂商为代表的第二阵营；以中国大陆厂商为代表的第三阵营。LED芯片产业主要以广东、福建为主。其中，广东芯片厂主要分布在深圳、东芝、广州以及江门等四个城市。福建是中国LED芯片生产重地，主要芯片城市为厦门、泉州以及福州。
14、日本：日亚、丰田合成、东芝、Genelite、昭合电工、大阳日酸等；欧美：Cree、惠普、欧司朗、飞利浦、Apollo（收购lumileds）、旭明、普瑞等；韩国：安萤、首尔半导体等；台湾：晶元光电、光宏、光磊、华上光电、新世纪、亿光、璨圆光电、泰谷光电等；大陆：夏门三安光电、华灿光电、杭州士兰明芯、晶科电子、方大国科光电、夏门晶宇光电、夏门明达光电、东莞洲磊电子、武汉迪源光电、厦门乾照光电、广东德豪润达、澳洋顺昌、圆融光电、上海蓝光科技、湘能华磊光电、大连路美、晶能光电、聚灿光电、方大集团、普光科技、南昌欣磊光电等。4）全球LED芯片前景分析近年来，全球LED芯片产业的新格局出现了两个明显的
15、趋势：第一个趋势是产能向中国大陆转移的趋势。随着国内技术与国际大厂技术差距越来越小，因生产成本等方面的因素，再加之国内政策的积极推动，国外企业放慢扩产的脚步，甚至有些企业在逐步收缩产能，国内 LED芯片产能占比越来越高。第二个趋势是LED芯片制造的行业集中度越来越高。LED行业技术、规模优势非常重要，产品价格会不断下降，渗透率不断提升，直接材料的成本下降已经非常有限，主要靠技术进步加规模优势带动成本下降，从而抵消产品价格下降稳定毛利率。而现阶段，能明显看到的技术重要体现就是在新应用领域，如MiniLED、MicroLED 在显示产品的应用。在乾照光电未来显示研究院执行院长柯志杰看来，“MicroLED可视为半导体产业和显示产业的结合体，对于工艺精度、工艺集成度等都有不同档次的技术需求，就连MiniLED也已属于集成封装的范畴。因此，从技术层面来说，MicroLED一定是一种产业升级；另外，显示市场具有近万亿美金规模，而且会越来越大，未来将会达到无处不显示的地步，而照明市场则只有千亿美金的级别，两者相差近1个数量级。所以从市场角度来看，MicroLED也是一种产业升级。”产业升级必然会给原有行业秩序带来变化，某种程度而言，Mini LED/Micro LED的发展也是LED芯片行业的一次洗牌过程。在LED照明和显示两个领域，未来是否能够“弯道超车”，改变现在的大者恒大
