本书是中国工程院重点咨询项目的成果，系统总结了2003年至2019年期间我国半导体照明产业的发展成就及经验，并对激光照明、OLED等照明技术进行了分析，总结了半导体照明技术和产业发展在材料外延、芯片制备、封装技术以及在通用照明、智慧照明、新型显示、可见光通信、健康照明、农业照明、医疗照明等方面的着力点，提出了促进我国固态照明产业发展的政策建议。
本书系统总结了我国十五年来半导体照明全产业链发展的巨大成就，分析了我国照明产业的兼并重组情况及其影响。
光是生命能量的重要来源，也是现代信息社会的基础。早在几千年前人类便已开始了对光的研究，然而，真正的光学技术直到400年前才诞生，斯涅耳、牛顿、费马、惠更斯、菲涅耳、麦克斯韦、爱因斯坦等学者相继从不同角度研究了光的本性。从基础理论的角度看，光学经历了几何光学、波动光学、电磁光学、量子光学等阶段，每一阶段的变革都极大地促进了科学和技术的发展。例如，波动光学的出现使得调制光的手段不再限于折射和反射，利用光栅、菲涅耳波带片等简单的衍射型微结构即可实现分光、聚焦等功能； 电磁光学的出现，促进了微波和光波技术的融合，催生了微波光子学等新的学科； 量子光学则为新型光源和探测器的出现奠定了基础。
伴随着理论突破，20世纪见证了诸多变革性光学技术的诞生和发展，它们在一定程度上使得过去100年成为人类历史长河中发展最为迅速、变革最为剧烈的一个阶段。典型的变革性光学技术包括激光技术、光纤通信技术、CCD成像技术、LED照明技术、全息显示技术等。激光作为美国20世纪的四大发明之一（另外三项为原子能、计算机和半导体），是光学技术上的重大里程碑。由于其极高的亮度、相干性和单色性，激光在光通信、先进制造、生物医疗、精密测量、激光武器乃至激光核聚变等技术中均发挥了至关重要的作用。
光通信技术是近年来另一项快速发展的光学技术，与微波无线通信一起极大地改变了世界的格局，使地球村成为现实。光学通信的变革起源于20世纪60年代，高琨提出用光代替电流，用玻璃纤维代替金属导线实现信号传输的设想。1970年，美国康宁公司研制出损耗为20 dB/km的光纤，使光纤中的远距离光传输成为可能，高琨也因此获得了2009年的诺贝尔物理学奖。
除了激光和光纤之外，光学技术还改变了沿用数百年的照明、成像等技术。以最常见的照明技术为例，自1879年爱迪生发明白炽灯以来，钨丝的热辐射一直是最常见的照明光源。然而，受制于其极低的能量转化效率，替代性的照明技术一直是人们不断追求的目标。从水银灯的发明到荧光灯的广泛使用，再到获得2014年诺贝尔物理学奖的蓝光LED，新型节能光源已经使得地球上的夜晚不再黑暗。另外，CCD的出现为便携式相机的推广打通了最后一个障碍，使得信息社会更加丰富多彩。
20世纪末以来，光学技术虽然仍在快速发展，但其速度已经大幅减慢，以至于很多学者认为光学技术已经发展到瓶颈期。以大口径望远镜为例，虽然早在1993年美国就建造出10 m口径的凯克望远镜，但迄今为止望远镜的口径仍然没有得到大幅增加。美国的30 m望远镜仍在规划之中，而欧洲的OWL百米望远镜则由于经费不足而取消。在光学光刻方面，受到衍射极限的限制，光刻分辨率取决于波长和数值孔径，导致传统i线（波长为365 nm）光刻机单次曝光分辨率在200 nm以上，而每台高精度的193光刻机成本达到数亿元人民币，且单次曝光分辨率也仅为38 nm。
在上述所有光学技术中，光波调制的物理基础都在于光与物质（包括增益介质、透镜、反射镜、光刻胶等）的相互作用。随着光学技术从宏观走向微观，近年来的研究表明： 在小于波长的尺度上（即亚波长尺度），规则排列的微结构可作为人造原子和分子，分别对入射光波的电场和磁场产生响应。在这些微观结构中，光与物质的相互作用变得比传统理论中预言的更强，从而突破了诸多理论上的瓶颈难题，包括折反射定律、衍射极限、吸收厚度带宽极限等，在大口径望远镜、超分辨成像、太阳能、隐身和反隐身等技术中具有重要应用前景。譬如，基于梯度渐变的表面微结构，人们研制了多种平面的光学透镜，能够将几乎全部入射光波聚集到焦点，且焦斑的尺寸可突破经典的瑞利衍射极限，这一技术为新型大口径、多功能成像透镜的研制奠定了基础。
此外，具有潜在变革性的光学技术还包括量子保密通信、太赫兹技术、涡旋光束、纳米激光器、单光子和单像元成像技术、超快成像、多维度光学存储、柔性光学、三维彩色显示技术等。它们从时间、空间、量子态等不同维度对光波进行操控，形成了覆盖光源、传输模式、探测器的全链条创新技术格局。
值此技术变革的肇始期，清华大学出版社组织出版变革性光科学与技术丛书，是本领域的一大幸事。本丛书的作者均为长期活跃在科研第一线，对相关科学和技术的历史、现状和发展趋势具有深刻理解的国内外知名学者。相信通过本丛书的出版，将会更为系统地梳理本领域的技术发展脉络，促进相关技术的更快速发展，为高校教师、学生以及科学爱好者提供沟通和交流平台。
是为序。
罗先刚2018年7月
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陈良惠，中国科学院半导体研究所研究员，中国工程院院士，历任工程院常委，信息学部副主任。1962年毕业于复旦大学，毕业后在半导体所工作至今；主持研究高速硅光探测器，获1986年国家科技进步二等奖。主持研制成功我国第一支量子阱激光器，获1992年中科院科技进步一等奖，1995年国家科技进步三等奖。主持研制大功率半导体量子阱激光器获1997年中科院科技进步一等奖，1998年国家科技进步三等奖，主持670 nm可见光激光器批量生产获1999年中科院科技进步一等奖，2000年国家科技进步二等奖。发表论文100余篇。
第1章半导体照明技术和产业的内涵
1.1半导体照明和LED显示的基本原理
1.1.1LED的基本原理及其发展历史
1.1.2半导体照明的基本原理
1.1.3LED显示的基本原理
1.2半导体照明产业的内涵
1.2.1半导体照明产业呈现不断拓展的规律
1.2.2半导体照明产业链
1.3小结
第2章20032018年我国半导体照明技术和产业取得的巨大成就
2.1我国半导体照明方面的支持政策和发展规划综述
2.2我国半导体照明技术的发展情况
2.2.1我国半导体照明技术的专利授权统计与分析
2.2.2我国半导体照明达到的技术水平
2.2.3历年在半导体照明方面获得的国家级科技奖励统计
2.3我国半导体照明各产业链产值
2.3.1材料外延和芯片产业产值变化趋势
2.3.2LED封装产业产值发展趋势
2.3.3LED应用领域产值
2.4我国半导体照明产业的兼并重组情况及其影响分析
2.5我国半导体照明的市场占有率、照明用电量和半导体照明节电量统计调研
2.5.1统计样本量估算
2.5.2实施方案
2.5.32016年和2017年我国在用照明光源的状况
2.5.42016年和2017年半导体照明光源的占有率
2.5.5我国半导体照明节电量统计调研结果
2.6我国半导体照明产业发展情况（20172018年）与2002年中国工程院咨询报告提出指标的对比情况
2.7小结
第3章国外半导体照明技术和产业现状
3.1国外半导体照明技术、政策和产业现状概述
3.2美国的半导体照明技术、政策和产业现状
3.2.1美国半导体照明方面的研究计划
3.2.2美国的照明产业现状
3.3日本的半导体照明技术、政策和产业现状
3.3.1日本的半导体照明支持政策和计划
3.3.2日本的半导体照明产业现状
3.4欧洲的半导体照明技术、政策和产业现状
3.4.1欧洲的半导体照明支持政策和计划
3.4.2欧洲的半导体照明产业现状
3.5韩国的半导体照明技术、政策和产业现状
3.6其他国家和地区的半导体照明技术支持政策或产业现状
3.7小结
第4章中国半导体照明技术和产业的优劣势分析
4.1半导体照明的专利对比分析
4.1.1授权趋势对比分析： 中国起步晚，增速快
4.1.2全球专利布局对比分析： 中国专利国际化程度还有待加强
4.1.3申请人对比分析： 中国企业专利有待加强，缺少专利龙头企业
4.1.4产业链环节对比分析： 中国上游领域仍处于劣势，下游应用领域数量上有所突破
4.1.5核心专利分析： 以白光LED、LED路灯、Si基LED技术为例
4.1.6中国LED专利态势分析
4.2半导体照明技术的国内外比较
4.2.1材料外延、芯片制备和封装技术
4.2.2半导体通用照明技术
4.2.3半导体健康照明与光医疗技术
4.3半导体照明各产业链产值的对比分析
4.3.1材料外延和芯片产值对比分析
4.3.2LED封装产值对比分析
4.3.3LED照明产品产值对比分析
4.4半导体照明各产业链利润率的对比分析
4.5我国半导体照明产业经历的337调查、召回事件以及在中美贸易战中的地位
4.6我国半导体照明技术和产业的优劣势分析
4.6.1我国半导体照明技术和产业的优势
4.6.2我国半导体照明技术和产业的劣势
第5章半导体照明未来的技术和市场发展趋势分析
5.1LED材料外延和芯片的技术及市场发展趋势
5.1.1硅基LED技术和产业的发展方向
5.1.2AlN紫外材料
5.1.3低温GaN材料外延技术
5.1.4MicroLED
5.1.5纳米LED技术
5.2LED封装技术和市场发展趋势分析
5.2.1荧光粉制备技术
5.2.2大功率LED模块封装技术
5.2.3晶圆级封装及直接白光技术
5.2.4大功率LED封装散热设计
5.2.5LED封装可靠性试验及寿命评估
5.3LED照明光源技术和市场发展趋势分析
5.3.1智能LED照明
5.3.2LED可见光照明 通信技术
5.3.3车用LED照明
5.3.4农业LED照明
5.3.5医疗健康LED照明
5.3.6人工智能中的LED技术
5.4LED显示技术和市场发展趋势
5.4.1常规LED显示屏
5.4.2MicroLED显示技术
5.5小结
第6章与半导体照明技术竞争的其他照明技术分析
6.1其他竞争性照明技术概述
6.2激光照明技术
6.2.1激光照明的概念和方案
6.2.2激光照明产业的现状
6.2.3激光照明的技术和市场发展趋势
6.2.4激光照明与LED照明的比较
6.3OLED照明技术
6.3.1OLED照明的工作原理
6.3.2OLED照明的产业现状
6.3.3OLED照明技术面临的问题
6.3.4OLED照明技术和市场的未来发展预测
6.3.5OLED照明的竞争力分析
6.4小结
第7章我国半导体照明技术和产业发展的目标预测与面临的挑战
7.1我国半导体照明技术和产业发展的目标预测
7.1.1技术目标预测
7.1.2产业目标预测
7.1.3市场占有率预测
7.1.4照明节电率预测
7.2我国半导体照明技术和产业面临的挑战
7.2.1我国MicroLED和MicroLED显示技术面临的问题
7.2.2发展纳米LED技术和产业方面面临的问题
7.2.3健康照明技术方面面临的挑战
7.2.4农业照明方面面临的挑战
7.2.5汽车照明发展面临的挑战
7.2.6LED可见光通信面临的问题
7.3人才培养与有序流动面临的挑战
7.4标准及其执行方面面临的挑战
7.5高端装备方面面临的挑战
第8章发展我国半导体照明技术和产业的战略建议
8.1半导体照明技术和产业下一步发展的重点
8.2半导体照明市场环境建设
8.3半导体照明重点推广的地区和领域
8.4半导体照明技术人才培养
索引
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