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“新民生”和第三代半导体 精选

已有 5879 次阅读 2020-4-15 21:04 |系统分类:观点评述

汪炼成 20200415 首发于《材料深一度》微信公众号

全文观点:

1. 半导体照明,不仅仅需要“照得更亮”,也需要“照得更好”!克服目前半导体照明光谱缺失和蓝光潜在危害、调制速率慢、显色指数和发光效率trade-off等挑战和问题,发展探索新型全光谱、高质量、智慧半导体照明还存在很大空间。

2. 受益于新冠疫情带来的对紫外杀菌消毒较大市场需求驱动,AlGaN基深紫外LED器件技术将快速进步,不亚于半导体照明的杀菌消毒广大市场将徐徐开启。

3.  GaN 快充将缓解 “出差族”、“游戏族”“低头族”等电量频频告急的窘迫和焦虑,也对储电宝、电霸等产业造成冲击。随着5G大容量数据对电子产品电量的加剧消耗,GaN 快充将成为消费电子更加紧密的“护航使者”。

4. Mini-LED作为LCD的背光源,是8K高清的重要选择。GaN基蓝光激光器是激光显示的核心光源器件。海信目前也把激光电视下拉到75英寸,雄心勃勃要在“核心尺寸段”规模市场撬开属于传统液晶电视的领地空间。激光电视和液晶显示的贴身肉搏战已经打响。


5. 基于PLC的VLC、VR/AR、UVC  LED杀菌除尘机器人在智慧家居中有潜在重要应用。


     2019年末开始到现在国内还未完全平息,国外仍愈演愈烈的新型冠状病毒肺炎(国际命名为COVID-19)疫情对社会的生产生活造成巨大的危害和影响。而在微观层面,新冠疫情也势必对人们工作和居家生活的理念、态度和习惯带来改变,“疫后时代”呼唤更绿色健康、更卫生干净、更智慧便捷、更温馨和睦、更注重质量、兼容学习工作锻炼和娱乐的家居生活。前两篇写了第三代半导体在“新基建”和“新国防”中的应用,这一篇就姑且称之为“新民生”吧。“新基建”更多体现在如5G基站、特高压、轨道交通等具有公共属性的设施,本文“新民生”将更注重在更私人属性的家居环境和设施。第三代半导体在“新民生”应用广泛。

           设想某普通一天的场景:傍晚结束一天的工作,在回家路上远程控制自动将家里空调开启并调至适当的温度,电饭锅和烤箱也开始工作;回到家在温馨灯光下全家其乐融融共聚晚餐,饭后机器人洗碗扫地杀菌,在ipad Pro上玩会“抖音”或微信,手机没电了去充电,并打开电视观看新闻;天气有点冷,于是戴上VR头盔,瞬间到了马尔代夫的沙滩,那里阳光正好;南方的天气太潮,于是把拖鞋、毛巾、牙刷等放在专用烘干杀菌架子上……

      以上种种场景无不涉及到第三代半导体:GaN基LED半导体照明灯具,Mini-LED背光屏幕的ipad Pro,GaN基激光器的激光电视,GaN HEMT电子器件的快充,Micro-LED显示的VR/AR头盔,AlGaN基深紫外LED杀菌消毒,可见光通信智能控制系统……

      半导体照明。看起来比较“高冷”的第三代半导体其实早已经如吴玲主任所说“飞入了寻常百姓家”,走进了千家万户和日常生活,功臣当然首指半导体照明。照明是人们生活的最基本需求,从战国时“兰膏明烛”的动物油灯,到“何当共剪西窗烛”“日暮汉宫传蜡烛”的蜡烛,从囊萤映雪到凿壁借光,从煤油灯(小时候用过很长一段时间煤油灯,看书的时候还有次烧了头发—安全照明很重要)到爱迪生的白炽灯(小时候有次摸黑换灯泡,把手误插到了灯泡接头里),从到现在还广泛使用的“存量”荧光灯到节能灯,一直到基于半导体的固态照明。照明产品伴随人类历史发展,照明技术和产品一定程度上反映了当时的生产力和生产水平。

     现在普及的半导体照明,技术原理很简单,将黄色荧光粉涂敷在GaN基LED芯片上,后者发出的蓝光将激发荧光粉发出黄光,多余的蓝光和黄光混合便得到白光。半导体照明主要受限制于GaN基LED的效率。2014诺贝尔物理学奖授予了S. Nakamura, H. Amano和 Isamu Akasaki三位日本科学家,他们通过两步法生长和高温退火解决了GaN基LED材料生长和p型掺杂两个难题,LED的效率于是得到显著的提升。GaN基LED的技术进步极大促进了半导体照明技术发展。半导体照明灯具制造基本流程为外延、芯片制程、封装,然后模组化成灯具。

      从2003年科技部和中科院指导下成立国家级联盟(国家半导体照明工程研发及产业联盟)和平台(中国科学院半导体照明研发中心)开始,我国半导体照明科研和产业在这近20年得到了快速发展。据《第三代半导体产业发展报告(2019)》,2019年半导体照明产业产值已到约7500亿(包括库存和上下游重叠产值)。科研方面,相关团队获得多项国家级的科技奖项,包括中国科学院半导体研究所李晋闽研究员团队的“低热阻高光效蓝宝石基GaN LED材料外延及芯片技术”项目获国家科学技术发明二等奖,“高光效长寿命半导体照明关键技术与产业化“项目获2019国家科技进步奖一等奖,南昌大学江风益院士团队的硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”项目获2015年国家技术发明一等奖。奖项包括科研和产业,涵盖半导体照明的材料生长、芯片制造和封装各个环节。

半导体照明科研和产业的发展,极大的促进了GaN相关材料、芯片和设备的技术发展和成熟,从而一方面孵化催发了基于LED的其他“超越照明”应用,如植物垂直农场、新型显示和可见光通信等,另一方面也促进了基于GaN的其它材料器件,如射频器件、功率器件等的发展。

  半导体照明看起来已经发展臻于完善了,还有必要继续研发么?我想答案是肯定的。首先,现在的半导体照明技术并不十全十美的完善。虽然实验室最高效率已经可以到250lm/W, 但产业化水平还远不达不到,还可以进一步提升。此外,上述半导体照明路线得到的照明用白光,其实只是包含了蓝光和较宽光谱的黄光,缺少长波段红光等光谱区域。光谱缺失会影响灯具本身的显色指数和色温等参数,且会抑制视网膜修复和再生、损害眼睛生理结构、导致视疲劳和睡眠质量降低等已被权威研究证明的潜在危害。而蓝光危害和富蓝化也讨论研究得较多:蓝光危害是指当蓝光辐亮度达到标准规定的2类或者3类时,会在较短的时间或瞬间对人眼造成的伤害:蓝光会使眼内黄斑区毒素量增高,光敏感细胞死亡,视力逐渐下降,甚至诱发致盲眼病,“辣眼睛”而严重威胁眼健康。“富蓝化”是指虽然微弱的蓝光,但日积月累也会影响到人的司辰节律。半导体照明,不仅仅需要“照得更亮”,也还需要“照得更好”!此外,现有的半导体照明产品要同时用于可见光通信的话,还存在光源调制带宽的限制,因为荧光粉本身发光和蓝光到黄光的斯托克斯转换都是比较慢的过程。

 克服目前半导体照明的光谱缺失、调制速率慢(虽然相对OLED等光源,其调制速率已经很快了)、显色指数和发光效率trade-off等挑战和问题,发展探索新型全光谱、高质量和智慧的半导体照明技术还存在很大空间。想想,如果人类满足于在当时看来似乎比较“完善”的油灯、白炽灯或荧光灯等,那也许就不会有现在的半导体照明了!

此外,诺贝尔奖得主、UCSB中村修二教授近年大力提倡激光照明,将之视为半导体照明的Game Changer,号称具有“高效率(LED效率的上千倍),投射距离远,体积更小、结构更紧凑”的优势。但是GaN基激光芯片的技术门槛远高于LED,能做到并量产的很少。且激光芯片准直性好,功率角分布密度高,安全性不好。应于照明话需要扩束,去相干化等,产品体积结构变得复杂,且有可能存在散斑问题。器件上相干激光的获得,是通过在大电流密度注入使载流子分布反转和谐振腔作用下受激辐射实现,又折返回去扩束和去相干化等,有点“绕大圈子赶集”的感觉。激光照明可能在需要投射距离远的高级汽车前照灯,以及高通信速率照明通信集成系统上应用。但要大规模取代目前基于LED的半导体照明技术,似乎不太现实。

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1-国家半导体照明工程研发及产业联盟启动

  UVC LED杀菌消毒。从1903年,Niels Ryberg Finsen因紫外线杀灭结核病菌获得诺贝尔生理与医药奖,紫外线杀菌具有上百年的历史。紫外线对包括2019-nCoV病毒在内的细菌病毒除杀作用已被国家卫计委官方和大量案例证明,其原理为:通过对细菌、病毒等微生物的照射、破坏其DNA和RNA分子结构,达到杀灭消毒效果。

目前,全球范围内在家用、医疗、工业用途等紫外线灯中,汞灯占据着半壁江山,但存在外形笨重、启动时间长,易碎、使用寿命短、巨毒、破裂后会造成汞泄漏污染环境,产生臭氧污染等缺点。对于汞的危害,2013年联合国环境规划署通过了旨在全球范围内控制和减少汞排放的国际公约《水俣公约》。2016年我国批准《关于汞的水俣公约》,禁止生产及进出口含汞产品。水俣公约已在2017年生效。

 相比汞灯,深紫外LED杀菌有诸多优势:高效杀菌性,深紫外LED所发出的UV段紫外光对细菌、病毒杀灭作用一般在几秒以内,传统方法,达到相同效率一般需要20分钟至1小时;广泛杀菌性,对几乎所有细菌和病毒都能高效率杀灭;安全环保(不含汞);功耗较低,体积小、设计灵活、安装方便,可以应用在传统紫外汞灯无法应用的狭小空间。紫外线指的是电磁波谱中波长从10nm~400nm 辐射的总称,而深紫外光一般指短于300nm的紫外光。

如在《新国防与第三代半导体》一文中所说,受限于外延材料和芯片技术,目前深紫外LED的外量子效率还比较低。日本理化学研究所平山秀树教授课题组深紫外LED研发全球领先,实验室最高效率达到20.3%,但是深紫外LED整体水平在10%以下,商业化水平在1%-3%。有深紫外专家预测,10%的发光效率是商业化第一道门槛,才会真正启动规模应用;效率达到20%,才具备替代低压汞灯的能力。当前,深紫外LED的效率太低,要获得相同的功率,成本是低压汞灯的200倍,在大功率杀菌场合完全无法使用。如,效率3%的深紫外LED,在紫外光功率为96W时,需要电功率3200W,加上光学、驱动和散热,共计要20万元,成本是低压汞灯的200~400倍。

新冠疫情催发的巨大杀菌消毒需求,促使相关企业和单位在围绕深紫外LED杀菌的产品进行研发,比如空调、加湿器、除湿烘干器等空气类,冰箱、消毒柜等食品类、饮用水类、口罩等医疗防护器械类各种杀菌用品。各种有意思的杀菌产品涌现,比如手机消毒盒、杀菌毛巾架、电梯手扶消毒器等。我觉得紫外LED相对汞灯的优势不仅仅体现在技术进步,而安全可靠和体积小巧的特征则赋予其更大的设计空间和艺术美感。这对于产品的推广应用也很重要。紫外杀菌还包括UVA波段紫外催化杀菌技术和产品。

国内基于AlGaN基紫外材料和器件相关研究机构有中科院半导体所、北京大学、广东半导体产业技术研究院、华中科大、厦门大学、西安电子科大、河北工业大学等,及中科潞安、湖北深紫、青岛杰生电气、三安光电等企业。受益于新冠疫情带来的紫外杀菌消毒的较大市场需求驱动,AlGaN基深紫外LED器件的技术将快速进步,不亚于半导体照明的杀菌消毒广大市场将徐徐开启。

激光显示/Mini LED显示/Micro-LED显示。GaN基LED和激光器在光电显示应用中作用巨大。光电显示可分为主动显示和被动显示:前者包括AMOLED、QLED和Micro-LED,指每个发光芯片直接作为一个像素,后者主要是液晶显示(LCD)。但液晶本身不发光,而是通过加电控制液晶分子的扭转朝向,从而控制光在那个像素点的通过与否。液晶显示需要背光源。最开始的液晶显示的背光源为CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp,冷阴极荧光灯管),LED因其高效环保体积小的特点,取代CCFL作为LCD的背光源,这就是液晶电视厂家广告宣传的“LED电视”—严格上是指“LED背光的LCD电视”。根据LED背光源的位置,分为直下式(LED在液晶的正下方)和侧入式(LED在液晶的侧面),都需要导光板、匀光板等其他光学组件,侧入式更加有利产品更轻薄化。最近很火的Mini-LED主要也是作为LCD的背光源,但是Mini LED 背光比传统直下式LED背光,光学距离(OD)更短,同时可以实现更小范围内的区域调光(local dimming)、更高色彩对比度、更好亮度均匀性,终端产品超薄、高显色性、省电,比侧入式LED背光导光系统简单,光源分布更加均匀,同时终端产品能够拥有侧入式的轻薄和直下式的无边框。Mini LED 背光是8K高清的选择,而传统LED比较粗放式的背光达不到(见汪炼成,《 Mini LED为何如此之火?》一文)。Micro-LED是传统LED户外显示屏的”微缩化”,因在效率、可靠性、响应速度、对比度、色域等方面的绝对优势,而被视为显示的终极技术。但是Micro-LED显示目前还受限于芯片本身的侧壁效应、发光效率、光束调控和相位偏振控制等挑战,以及Micro-LED芯片巨量转移技术的效率、良率和彩色化、检测、修复等关键技术。 但这不影响显示产业上下游的频频动作,美国Daktronics (达科电子)+X-Display Company (XDC)、苹果+晶电、Facebook+Plessey,三安+TCL华星、华灿+京东方、利亚德+晶电各种强强联合组队完毕,Micro-LED显示大战一触即发。Micro-LED和VR/AR/MR是“炸鸡啤酒”般的绝配。

 与此同时,激光投影显示(LDT)也在迅速崛起。 基于DLP(Digital light processing)技术的激光显示中的关键部件包括DMD芯片(美国德州仪器全世界唯一供应商,MEMS技术的“皇冠”)、超短焦光学镜头、抗光屏和GaN基蓝光激光器。GaN基蓝光激光器是激光显示的核心光源器件,目前由欧司朗和日亚提供,其中日亚的技术更有优势。激光显示的主要优势在大屏,我国海信的激光显示技术在国际上处于领先,目前产品覆盖了75、80、88、100、120、150英寸,在市场增长空间的65英寸以上布局逐步完善。其他也有坚果、极米和明德之星等公司。液晶显示世代线最大已经发展到G10.5世代线,目前75英寸及以下的面板均已经规模化生产。更大尺寸液晶显示面板,除了受限大尺寸玻璃基板的生产外(液晶显示核心“卡脖子”技术之一,美国康宁、日本旭硝子少数供应商),在生产、切割均需特殊设计和曝光工艺, 开发和生产难度大。 比如超大尺寸必须采用的复杂拼接曝光,可能存在阵列拼接云纹、彩膜拼接云纹不良、超大尺寸驱动不足等风险。海信目前也把激光电视下拉到75英寸,雄心勃勃要在“核心尺寸段”规模市场撬开原属于液晶电视的领地空间。激光电视和液晶显示的贴身肉搏战已经打响。

  GaN 快充。前段小米发布65W GaN PD(Power Delivery)快充,体积小巧、性能强大, 充满配备 4500 mAh 电池的小米 10 Pro 仅需 45 分钟, 掀起了业界甚至广大消费者对GaN器件关注的热潮。同以往大家只知“LED”而不知道背后的“GaN”不同,GaN 这次终于走上前台,成为真正的“网红”主角(虽然个人不太喜欢“网红”这个词)。总的看,相比SiC功率器件,GaN功率器件较低的耐压等级和输出功率使其更注重耐压等级和输出功率的轨道交通、新能源汽车等工业电力电子系统上不具有优势。但是在更注重速度的消费电子领域,具有快速响应和较低电压定位特点的GaN HEMT功率器件和消费电子快充真是绝配! GaN 充电器更大的功率密度,能够实现更快的充电速度;更高的能量转化效率,所以具有更低的功耗并减少发热;显著高于传统快充中的开关频率可以实现体积更小。

  相比基于Super junction的 Infineon Coolmos,快充核心的GaN HEMT器件性能参数优势体现在:动态特性中栅极电荷降低约10倍到8.1nC,工作栅极电容降低约4倍到120pF,而反向特性中电荷降低约14倍到54nC,反向恢复时间降低7倍到20ns(极智课堂,大连芯冠王荣华,《从快充谈起氮化镓功率器件的应用》)。据了解,小米的这款充电器用的是纳微半导体(Navitas)的GaN Fast功率IC。从Navitas的Power IC可知,他们通过单驱动器与单开关管集成,来降低驱动器和开关管之间以及开关结点之间的寄生电容。

 结电容小使开关速度快,带来损耗低、效率高的优势,但也使得在开关过程中器件对寄生参数更加敏感。因为高的开关速度将产生高的 dv/dt 与 di/dt。在相同的寄生电感下,高的 di/dt 会产生更高的关断过电压、更大的开关振荡,这会增加器件的开关损耗和 EMI (Electromagnetic interference)噪声。而在相同的寄生电容下,高的 dv/dt 则会产生更大的共模噪声。同时高的 dv/dt 和 di/dt,将增大误导通的可能性。如何解决开关频率过高所产生的EMI问题一直是包括GaN HEMT和SiC MOSFET功率产品的一个关键。特别对于消费电子产品,对器件硬开关的考验更为强烈 (消费者不会考虑软开关,消费电子需要随时开关机和充电),这也对EMI和损耗控制提出更高的要求。充电过程中的发热是损耗的直接体现,这是消费者能直接感受体会到的。电子发烧友发现GaN快充全程充电温度基本保持在38度以下,在功率提升、体积大幅缩小的情况下综合平衡功率密度、体积和损耗做到这点确实殊为难得。

       GaN 快充对于朝九晚五时间充裕的“坐班族”暂时可能体会有限,但是将缓解 “出差族”、“游戏族”和“低头族”等电量频频告急的窘迫和焦虑,也对储电宝、电霸等产业造成冲击。随着5G大容量数据游戏、通信等对电子产品电量的升级消耗,GaN 快充将成为消费电子更加紧密“护航使者”。

智慧家居。新冠疫情将使企业生产向智慧化工业4.0变革转变或提升,也同时催动家居生活向包括绿色健康化、远程可视化、感知控制化和智慧人性化发展。集成5G微基站、充电桩、视频监控、环保监测、屏幕显示多种模块的“智慧灯杆”最近在浙江舟山首次亮相。老瓶装新酒,传统路灯的max升级,具有较大的经济和社会效益。其实“智慧灯杆”也完全可以迁移到家居,利用有线电力线载波通信技术(PLC)结合无线半导体照明可见光通信(VLC),实现家电设备的远程控制,互连互通及自主学习,并通过收集、 分析用户行为数据为用户提供个性化生活服务,使家居生活安全、舒适、节能、高效、便捷。基于PLC的VLC的一大缺点是低压配电网拓扑结构复杂,接入负载类型多样,造成VLC信号衰减和背景噪音大。对于局域范围的家居,信号衰减和背景

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                                                    图2-多功能“智慧灯杆”在浙江舟山首次亮相。

噪音可以最大程度降低。但系统还需进一步完善,才能在与Zigbee、Wifi和Bluetooth等其他无线物联技术的竞争中占有一席之地。聚焦于智能照明灯具的智能照明品牌Yeelight易来近日完成C+轮融资 , 而先行者飞利浦Hue也在抓紧布局2020路线,包括Nyro、Resonate和 Appear、Daylo和Impress等新品灯具将会上市。智能照明和智能硬件的竞争将十分激烈。美国智能照明工程技术研究中心主任、伦斯勒理工学院教授Robert F. KARLICEK每年在半导体照明论坛上都有精彩报告,介绍关于智慧照明以及未来照明的思考,很有意思。

    VR(虚拟现实技术,Virtual Reality)/AR(增强现实,Augmented Reality)将极大丰富居家购物、自主学习旅游等家居生活。GaN基Micro-LED显示的快速响应和其他压倒性优势同5G一道将加速支撑VR/AR等的发展。疫情期间,洛杉矶国际机场(LAX)、旧金山国际机场(SFO)和纽约约翰·肯尼迪国际机场(JFK)已经启用美国Dimer UVC Innovations公司的UVC紫外线杀菌机器人对飞机内舱进行全面杀菌消毒,以有效预防新冠病毒传播。而集成除尘、UVC  LED杀菌消毒等功能的机器人也许以后会成为智能健康家居的标配。

     第三代半导体,将继续在更健康、卫生、智慧、高质量、多功能的 “新民生”建设中大放异彩!




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