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照明：“新民生”和第三代半导体( 二 )


从2004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近20年时间里得到了快速发展 。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 。
照明：“新民生”和第三代半导体
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图1-2004年国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）成立
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材料的其它器件 ， 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完善 。上述的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 ， 关于蓝光危害和富蓝化的研究引发了广泛讨论 。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、高光品质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 。用于照明的话需要扩束 ， 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 。
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 。


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