半導體照明的案例
深度解析：第三代半導體材料的關鍵技術、產業集群、發展趨勢與展望等！
隨著半導體照明產業的發展，越來越多的城市將半導體照明產業列為當地重點布局的戰略性產業，著力建設半導體照明相關產業基地和園區，2009年，科技部認定天津、杭州、武漢、東莞、西安和寧波6個地區建立國家級半導體照明產業化基地。依托國家級產業基地，各地建成了數百個半導體照明產業園區，半導體照明產業在中國全面開花，推動中國成為全球最大的半導體照明產品生產和出口地。
圖3.中國國家級半導體照明產業基地分布情況（來源：DeepTech）
中國第三代半導體電力電子、微波射頻及光電子產業正在加速形成各具特色的產業集群。中國在SiC、GaN材料及器件方面的發展起步較晚，與全球水平仍有較大差距，目前正在積極布局中。2017年，中國第三代半導體產業全面啟動，中央和地方出臺相關政策加大對第三代半導體材料及產業化應用扶持力度。從政策分布來看，廣東省、江蘇省、上海市、北京市、福建省、湖南省相對集中，未來將圍繞這些區域形成第三代半導體產業集群。北京市和廣東省相繼建立北京第三代半導體材料及應用聯合創新基地和第三代半導體南方基地，著力發展第三代半導體全產業鏈，未來將形成全球重要的第三代半導體產業集群；經過幾年的發展，中國第三代半導體主要企業由中試進入大規模量產階段，新建產能主要集中在上海、深圳、湖南、山西等地區，在這些地區依托龍頭企業及當地產業基礎將形成產業集群。浙江、河北、山東、安徽、四川等地已經集聚了相對完整的第三代半導體產業鏈，具備建設產業集群條件。
圖4.中國第三代半導體產業分布情況（來源：DeepTech）
第三代半導體典型園區：
1）北京第三代半導體材料及應用聯合創新基地：北京第三代半導體材料及應用聯合創新基地產業集聚初見雛形。
展開 氮化鎵半導體材料研究與應用現狀
從產業鏈及下游的應用領域分布來看，專利主要集中在G aN單晶襯底和材料外延環節 ；從應用層面看，國內有效專利主要集中在半導體照明領域，表明半導體照明是當前G aN半導體材料的主要應用領域 ；而電力電子器件領域有效專利數量在近年有較快增長，有望在未來一段時間迎來快速發展。
曾經的LED領頭羊Cree剝離照明業務，對我國發展化合物半導體有何啟示？
2019年3月15日，美國Cree公司宣布將旗下LED照明部門（Cree Lighting）以3.1億美元出售給美國Ideal Industries公司。Cree出售的業務包括用于商業的LED照明燈具和企業照明解決方案。通過此次業務剝離，Cree公司繼續專注化合物半導體射頻和功率應用市場，滿足5G通信和新能源汽車的市場需求。分析Cree在化合物半導體領域的發展策略，對我國化合物半導體產業發展具有啟示作用。
一、Cree出售LED照明業務的背景和原因
（一）LED照明市場已成為競爭紅海
一方面，LED照明不再是技術競爭高地。2014年的諾貝爾獎物理學獎頒給了赤崎勇、天野浩和中村修三位科學家，以表彰他們發明了用于照明的藍色發光二極管（LED）。氮化鎵（GaN）材料的突破使得LED成為改變人類照明方式的一次革命。藍光LED發明后的20余年里，LED燈的性價比不斷提高，甚至遵循著類似“摩爾定律”的“海茨法則”。當前LED照明的成本已下降了90%以上，發光效率提升了30倍，使得LED的性能和成本已完全滿足照明需求，替代性光源市場滲透率接近50%。LED燈已從技術競爭的高地轉為成熟的通用大宗商品。
另一方面，成本控制和市場開拓成為LED照明企業發展的核心競爭力。LED制造環節趨向標準化和通用化，附加價值越來越低。通用電氣、歐司朗、飛利浦等國際傳統照明龍頭企業紛紛出售和剝離LED照明業務。加之龍頭企業早期布局的核心發明專利逐漸脫離保護年限，掌握芯片制造產能和強大應用市場的中國LED企業成為行業的主力。三安光電、華燦光電、木林森、歐普照明等成為代表企業。根據CSA的數據，2018年我國半導體照明總體產值超過7000億元，芯片產能超過1200萬片/月（折合4英寸）。
展開 投建高端半導體裝備研發等項目
扣除發行費用后，用于“半導體裝備產業化基地擴產項目（四期）”、“高端半導體裝備研發項目”和“高精密電子元器件產業化基地擴產項目（三期）”的建設，并補充流動資金。
募集資金使用可行性分析
（一）半導體裝備產業化基地擴產項目（四期）
1、項目基本情況
2、項目建設內容及投資概算
本項目位于北京經濟技術開發區馬駒橋智造基地。項目新建生產廠房、生產測試樓、原材料庫、成品庫、倒班宿舍樓、化學品庫、門衛及配套輔助設施。
本項目產品為集成電路設備（包括刻蝕設備、薄膜沉積設備、立式爐設備、清洗設備、退火設備及外延設備等）、新興半導體設備、半導體照明(LED)設備和光伏設備。主要應用于集成電路、新興半導體、半導體照明（LED）、新能源光伏等領域。
通過本項目的實施，北方華創將加快半導體裝備的產業化進程，極大轉化高端半導體裝備國產化研發成果，為北方華創帶來直接的、可觀的經濟收益。通過分析預測，本項目的產品銷售大綱如下表所示：
（二）高端半導體裝備研發項目
1、項目基本情況
2、項目建設內容及投資概算
本項目將改造研發實驗室，購置研發用設備及軟件，開展下一代高端半導體裝備產品技術的研發，包括先進邏輯核心工藝設備、先進存儲核心工藝設備、先進封裝核心工藝設備、新興半導體核心工藝設備、Mini/Micro LED 核心工藝設備和先進光伏核心工藝設備。
展開 
熱阻測試儀在LED照明技術中的應用
熱阻測試儀在LED照明技術中的應用
半導體技術在信息技術飛速發展中發揮著重要作用。自1947年貝爾實驗室的約翰·巴丁、威廉·肖克利、華特·布萊頓三人發明雙極性晶體管以來，半導體技術就成為推動電子時代的原動力。隨后的硒晶管和鍺晶管的問世標志著半導體技術進入成熟階段，為其產業化奠定了基礎。半導體技術的應用廣泛涉及軍事、工業、通信和計算等各個領域。
1965年，美國仙童公司的戈登·摩爾提出了著名的“摩爾定律”，該定律指出半導體器件的集成度將每隔一段時間翻一番。此后，隨著新材料如砷化鎵和氮化鎵以及新器件的涌現，半導體產業始終遵循著摩爾定律持續高速發展，器件工藝尺寸不斷縮小，性能不斷提高。
然而，隨著半導體工藝的進一步發展，將半導體應用在照明方面的研究取得了很大的成果，而半導體產品具有功耗低、使用壽命長和響應時間短等眾多優勢和發展潛力，已呈現逐漸取代傳統照明產品的趨勢。LED是半導體照明中的關鍵器件，由于功率越來越大，大功率LED的耗散功率會導致LED芯片PN結溫上升，從而顯著地影響LED的光度、色度和電氣參數，甚至可能導致器件失效。因此，在LED的整機、模組應用中，如電視模組，會優先考慮熱阻小，結溫低的LED。與此同時，整機模組廠商不僅關注單個LED熱阻和結溫測量，更關注的是在整機或者模組狀態下內部燈條LED的真實熱阻，以便為模組可靠性設計提供有力支撐。
目前，測量LED熱阻常用且可靠的方法是采用電學參數法，其中使用了T3ster設備。T3Ster是一款先進的半導體器件封裝熱特性測試儀器，可以在幾分鐘內提供各類封裝的熱特性數據。該設備基于JEDEC的‘StaticMethod’測試方法（JESD51-1），通過改變電子器件的輸入功率來使器件產生溫度變化，從而測量器件的瞬態熱特性。
展開 半導體材料：GaN（氮化鎵）的詳細介紹
三代半導體即寬禁帶半導體，以碳化硅和氮化鎵為代表，具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優越性能，切合節能減排、智能制造、信息安全等國家重大戰略需求，是支撐新一代移動通信、新能源汽車、高速軌道列車、能源互聯網等產業自主創新發展和轉型升級的重點核心材料和電子元器件，已成為全球半導體技術和產業競爭焦點。
氮化鎵是一種寬能隙材料，它能夠提供與碳化硅（SiC）相似的性能優勢，但降低成本的可能性卻更大。業界認為，在未來數年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價格。
氮化鎵電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關頻率、更低的導通電阻等優勢，并可與成本極低、技術成熟度極高的硅基半導體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的電力轉換與管理系統、電動機車、工業電機等領域具有巨大的發展潛力。
由于對高速、高溫和大功率半導體器件需求的不斷增長，使得半導體業重新考慮半導體所用設計和材料。隨著多種更快、更小計算器件的不斷涌現，硅材料已難以維持摩爾定律。由于氮化鎵材料所具有的獨特優勢，如噪聲系數優良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等，為多種應用提供了獨特的選擇，如軍事、宇航和國防、汽車領域，以及工業、太陽能、發電和風力等高功率領域。
推薦一款來自臺灣美祿的GaN/氮化鎵 - MGZ31N65，該芯片常溫常壓下是纖鋅礦結構。是現今半導體照明中藍光發光二極管的核心材料。工業上采用MOCVD和HVPE設備來外延生長。
GaN半導體材料有二種基本結構:纖鋅礦(Wurtzite, WZ)和閃鋅礦(Zinc blende, ZB)。常溫常壓下惟有纖鋅礦結構為穩定相。纖鋅礦結構由兩套六角密堆積子格子沿c軸方向平移3c/8套構而形成，所屬空間群為或P63mc。
展開 華科綠色照明重要進展
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0691-0
照明在人類社會無處不在，消耗的電量占全人類用電總量的五分之一。相較于傳統照明，基于GaN基發光二極管激發熒光粉的半導體照明技術具有節能、環保、光效高、壽命長、應用范圍廣等諸多優點，是當前照明市場的主流技術。其不足之處是照明中的藍光成分過多，容易對人眼特別是兒童的視網膜造成不可逆傷害，即所謂“藍害”；同時大部分熒光材料都依賴戰略性稀土材料為原料。因此，需要開發新一代的新型單基質白光熒光粉，避免“藍害”和稀土元素的使用，實現綠色照明。
Cs2AgInCl6中STEs的計算研究：a：Cs2AgInCl6中的GW能帶結構，b：Cs2AgInCl6中STE的電子和空穴波函數，c：STEs的位型坐標和對應的能量態，d：計算光譜與實驗光譜的比較。
非鉛雙鈣鈦礦Cs2AgInCl6雖然展現出較獨特的白光發光特性，但受限于其躍遷禁阻特性和較高的電子維度，導致其熒光產率極低(<0.1%),不具備應用價值。唐江教授課題組創新性地引入鈉離子合金化并摻雜痕量Bi制備出Cs2(NaAg)InCl6：Bi3+，通過組分調控和工藝優化，獲得了最高發光效率達到86%的單基質白光熒光粉。實驗表征結合理論計算證實了該熒光粉的STE發光機理，同時揭示其熒光效率提高的主要原因。
此白光熒光粉還展現出優異的穩定性：未封裝的條件下，Cs2(NaAg)InCl6：Bi3+熒光粉在熱臺上150 ℃加熱1000小時，或者被紫外LED激發以5000 Cd/m2發光強度工作1000小時，其發光效率和白光特性幾乎沒有衰退。
展開 智芯研報 | 成本下降，需求爆發，第三代半導體拐點臨近
根據CSA research發布的《2019中國半導體照明產業發展藍皮書》顯示，中國LED半導體照明產業發展穩定，2019年中國LED半導體照明行業總產值達7548億元，微增2.4%。發光二極管已經廣泛地用于各種照明領域，可替代白熾燈和熒光燈等傳統光源，也可用于計算機、電視、等液晶顯示用背光源，戶外顯示、交通指示，以及植物培育和醫療。
除了LED作為光源外，激光器也是氮化物半導體在光電子領域的重要應用之一。藍色激光器可用于水下通信，綠色激光器是局域網通信和水下探測的關鍵光源，紫外光激光器在高密度存儲、空氣和水凈化、精密光刻、印刷和檢測、空間紫外通信（非視距傳輸）、化學傳感等方面有很大的潛在的應用。
作為微波功率器件和電力電子器件的主要是GaN基半導體材料。
AlN襯底材料比發達國家落后約30年。AlN帶隙寬度高達6.2eV，可作為AlGaN的襯底材料。在全組分范圍內均為直接帶隙半導體，對應光譜波長覆蓋了200-365nm的紫外、深紫外波段。AlGaN具有熱導率高、電阻率大、紫外光透過率高、擊穿場強高、抗輻射能力強等優點，在高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，如高能效光電子器件、高功率電子器件、固態激光探測器和高密度固態存儲器等方面具有重要的應用。此外，AlN在深紫外光LED、紫外光電探測器方面應用較為成功和廣泛，在殺菌消毒、皮膚病的治療等醫療衛生領域、污染物分解及水與空氣等環保領域、高顯色指數白光照明領域以及在大容量信息存儲等領域有廣泛的應用。目前美國、日本的一些晶片企業已經進入產業化初級階段，我國在此領域才剛剛起步，與發達國家相比，滯后約30年。在國家973項目、國家自然基金等的支持下，目前已經取得了部分突破性進展。
AlGaN多用于紫外發光二極管。
展開 RS瑞森半導體LLC恒流方案在路燈照明的案例分享
1.瑞森半導體--創新型PFC電路方案，省去APFC專用的芯片及周邊線路，有效減少元件數量30%左右，提升方案可靠性，提升生產直通率減低成本；
2.電源轉換效率高: 瑞森半導體方案50W效率90%，200W效率達到94.5%（行業要求電轉換效率≥85%），帶來的收益是最高可以節省用電量接近10%，減少散熱材料，延長燈具壽命；
3.高PF值：瑞森半導體方案PF≥0.98高于行業要求PF≥0.92，帶來的收益是減少對國家電網的諧波污染，降低線路線纜的成本；當然產品的優勢發揮需要結合成品燈的安裝，結合具體的安裝調整發揮特長。
5G催生第三代半導體材料利好 GaN將脫穎而出
相較目前主流的硅晶圓(Si)，第三代半導體材料SiC與GaN(氮化鎵)具備耐高電壓特色，并有耐高溫與適合在高頻環境下優勢，其可使芯片面積大幅減少，并簡化周邊電路設計，達成減少模塊、系統周邊零組件及冷卻系統體積目標，GaN應用范圍包括射頻、半導體照明、激光器等領域。
現行GaN功率元件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si兩種晶圓進行制造，其中GaN-on-SiC強調適合應用在高溫、高頻的操作環境，因此在散熱性能上具優勢，其以5G基地臺應用最多，預期SiC基板未來在5G商用帶動下，具有龐大市場商機。
5G高頻特性，使GaN技術有伸展空間
目前基地臺用功率放大器(Power Amplifier，PA)主要為基于硅的橫向擴散金屬氧化物半導體(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，LDMOS)技術，不過LDMOS技術僅適用于低頻段，在高頻應用領域存在局限性。
由于LDMOS功率放大器的頻寬會隨著頻率增加而大幅減少，運用于3.5GHz頻段的LDMOS制程已接近限制，性能開始出現下滑，在考慮5G商用頻段朝更高頻段發展下，過去LDMOS將逐漸難以符合性能要求，因此第三代半導體材料GaN技術崛起；由于GaN技術支援更高資料容量之多資料傳輸，同時搭配5G高速網絡，不論在頻寬、性能、容量、成本間可做出最佳成效。
展開 市場 | 中國第三代半導體傳來最強音
受益于國內疫情防控得力，經濟全面回暖，政策市場雙重利好，以及國際貿易摩擦帶來的替代機遇，電力電子和射頻電子維持增長趨勢，但半導體照明受國內外環境影響，整體略有下滑。
我國擁有第三代半導體材料最大的應用市場。受益于新能源汽車、5G、消費電子領域需求強勁，未來幾年，國內SiC和GaN功率半導體市場將迎來高速增長。在政策和市場的雙重驅動下，國內第三代半導體電力電子和射頻方向行情呈明顯上升態勢。
國內主流企業積極擴產布局，產業進入擴張期。經過幾年發展，第三代半導體器件已經迅速進入了新能源汽車、光伏逆變、5G基站、PD快充等應用領域，市場迅猛增長，行業競爭日趨激烈。
為了迎合市場需求，爭奪未來幾年的關鍵競爭位置，國內主流企業在產業、產品和市場等多方面加強布局。其中尤以產能擴充為主要特征，天科合達、同光晶體、納維科技、泰科天潤、中電科55所、三安光電、世紀金光、基本半導體、英諾賽科等紛紛擴產，預示著國內第三代半導體產業開始進入擴張期。
與此同時，傳統半導體企業依托資金、技術、渠道以及商業模式的優勢，積極布局第三代半導體，謀求更多的利潤增長點，代表企業有華潤微、聞泰科技、斯達半導體、比亞迪、賽微電子、露笑科技、新潔能等。
來源：內容來自網絡整理，謝謝。
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發展第三代半導體，別讓基礎研究成“絆腳石”
“寬禁帶半導體就像一個小孩，還沒長好就被拉到市場上去應用。”在11月8日至9日召開的香山科學會議上，中科院院士、中科院半導體所研究員夏建白打的比方引起不少與會專家的共鳴。
夏建白所說的寬禁帶半導體又被稱為第三代半導體，氮化鎵、碳化硅、氧化鋅、金剛石等材料是其主要代表。
如果說以硅為代表的第一代半導體是集成電路的基石，第二代半導體如砷化鎵促成了信息高速公路的崛起的話，那么第三代半導體材料技術正在成為搶占下一代信息技術、節能減排及國防安全制高點的最佳途徑之一，是戰略性新興產業的重要組成內容。
現在的問題是，快速發展的第三代半導體相關產業，特別是深紫外發光和激光領域被基礎研究絆住了腳。
上帝的禮物還是難題？
如果你依然對第三代半導體材料感到陌生，可以抬頭看看家中無處不在的LED（發光二極管）燈。
氮化鎵基藍光LED的發明使高效白光LED照明得以實現，引起了人類照明光源的又一次革命。日本科學家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學家中村修二也因該工作獲得了2014年諾貝爾物理學獎。
北京大學物理學院教授沈波說，氮化鎵基藍光LED的發明就像“上帝的禮物”降臨人間，然而隨著相關應用快速推向市場，人們逐漸發現，這個禮物里藏著很多難題。
難題何來？
夏建白告訴記者，第一代半導體硅經過幾十年的發展，產業發展和基礎研究齊頭并進，基礎扎實。相比之下，日本人開始研究第三代半導體時，很多人認為氮化鎵材料的缺陷太多，難以做成高效光電器件。沒想到日本竟然把藍光LED做出來了，緊跟著就是市場的快速爆發。
“市場發展非常快，基礎研究卻跟不上了。”夏建白說，這是目前第三代半導體發展面臨的困境。
中科院長春光學精密機械與物理研究所研究員劉可為把氮化鎵基藍光LED的發明比作做蛋糕。
展開 高效能半導體器件進展與展望
目前，寬禁帶半導體已經取得了廣泛的應用，GaN器件在4G通信基站的使用率達到了100%，5G通信基站中也將會全部用到GaN器件。另外，寬禁帶半導體器件也在國防雷達、汽車雷達、衛星方面快速融入應用。
2.2 高效能半導體器件推動電動汽車發展
隨著新能源汽車、電動汽車的普及，汽車行業也加入了如今的芯片競爭。與傳統的汽車制造業不同，電動汽車的發展極大程度上依賴于半導體器件的發展。Cree預計全球電動汽車領域半導體器件收入將從2017年的700萬美元增至2032年的150億美元，電動汽車成為了新的增長引擎，半導體器件又打開了一個新的市場。高效能功率器件主要應用于車載DC/DC、充電樁、充電器、變頻器等方面以及能源控制器中，目前在高壓大電流領域以SiC器件為主，在中壓高頻領域以GaN器件為主。高效能半導體器件的應用，使得電動汽車的能耗在降低的同時能夠獲得更好的性能和里程表現。同時，在電動車充電方面，高效能半導體器件的加入可以帶來安全的高功率大電流充電技術，能夠大大縮短能源補給時間，在未來可以實現與汽油車相近的續航體驗。
圖5：高效能功率器件的應用場景
2.3 高效能半導體器件促進照明與顯示發展
目前，市場上存在超過80%的照明設備采用的光源都是LED燈，LED在照明效果和能源消耗方面都有著顯著優勢。隨著產業不斷地更新換代，LED照明光源成本已經大幅下降，這是讓半導體照明能夠進入大眾化市場的重要原因。未來的照明光源，LED將會長期占據主導地位，這也對我們提出了更高的要求。照明設備充斥著我們的生活，也是電力消耗的一大板塊，所以就要求我們開發研究出具備高能效的半導體器件，以此降低能源消耗。
展開 國產氮化物半導體研究取得重大進展
美國物理學會Physical Review Letters（PRL）期刊2018年10月5日在線發表了北京大學物理學院寬禁帶半導體研究中心和“新型半導體低維量子結構與器件”創新群體的最新研究成果“Unambiguous Identification of Carbon Location on the N Site in Semi-insulating GaN”。
III族氮化物（又稱GaN基）寬禁帶半導體具有一系列優異的物理、化學性質，是發展半導體照明、新一代移動通信、新一代通用電源、新能源汽車、固態紫外光源等不可替代的新型半導體材料。摻雜調控是氮化物半導體材料和器件發展的關鍵科學和技術問題。通過C摻雜獲得半絕緣GaN是當前研制GaN基電子器件的主流方法。但作為IV族元素，C雜質在GaN中具有兩性特征，既可替代N原子，也可替代Ga原子，或者與其他雜質和缺陷形成復合體，使GaN中C的摻雜機理非常復雜，成為近年來氮化物半導體電子材料和器件領域關注的焦點問題之一，確定C雜質在GaN中的晶格位置對于解決上述問題至關重要。
由沈波教授領導的北京大學寬禁帶半導體研究團隊與其合作者近期在這一問題上取得了重要進展。該團隊與中科院蘇州納米所和中國科技大學等合作單位采用紅外光譜和拉曼光譜技術，克服了GaN中強烈的剩余射線帶相關反射區導致的測量難題，實驗中觀察到半絕緣GaN中與C有關的兩個局域振動模，并結合第一性原理計算，給出了C雜質在GaN中替代N位的直接證據，解決了這一長期存在的爭議問題。該成果對于理解和認識C雜質在AlN、BN、ZnO等其他六方對稱化合物半導體材料中的摻雜行為亦具有重要的參考價值。
不同偏振下的拉曼光譜
北京大學博士生吳珊為該論文的第一作者，楊學林、沈波為該論文的共同通訊作者。
展開 RS瑞森半導體之LLC方案設計有“理”可依
一、瑞森半導體LLC方案計算指導
瑞森半導體照明方案利用LLC諧振電路工作原理構成PFC電路，實現了高PF(可高達0.99）和低THD(小于10%）兩個性能，節省了APFC電路中所需要的芯片和PFC電感與MOS，極大減少了元件數量，不僅提升了驅動整機的可靠性又縮小了驅動成品的尺寸，從而使產品能夠適用于更最多的應用場景。同時利用LLC諧振電路工作原理構成PFC電路也可以實現軟開關工作模式，具有應力小、干擾源少等優點，更易符合安規測試。
為方便工程師朋友們在應用瑞森半導體LLC方案時有理可依，接下來就給大家分享一些關鍵器件規格的計算以及重要參數的參考范圍：
表格左欄是輸入與輸出的參數，右欄是計算出的元器件的參數，其中淺綠色的是項目欄內容固定不變，黃色是固定不變的內容，藍色參數是依實際需求填入的內容，灰色是工具計算出的結果。
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