本書是中國工程院重點咨詢項目的成果，系統總結了2003年至2019年期間我國半導體照明產業的發展成就及經驗，并對激光照明、OLED等照明技術進行了分析，總結了半導體照明技術和產業發展在材料外延、芯片制備、封裝技術以及在通用照明、智慧照明、新型顯示、可見光通信、健康照明、農業照明、醫療照明等方面的著力點，提出了促進我國固態照明產業發展的政策建議。
本書系統總結了我國十五年來半導體照明全產業鏈發展的巨大成就，分析了我國照明產業的兼并重組情況及其影響。
光是生命能量的重要來源，也是現代信息社會的基礎。早在幾千年前人類便已開始了對光的研究，然而，真正的光學技術直到400年前才誕生，斯涅耳、牛頓、費馬、惠更斯、菲涅耳、麥克斯韋、愛因斯坦等學者相繼從不同角度研究了光的本性。從基礎理論的角度看，光學經歷了幾何光學、波動光學、電磁光學、量子光學等階段，每一階段的變革都極大地促進了科學和技術的發展。例如，波動光學的出現使得調制光的手段不再限于折射和反射，利用光柵、菲涅耳波帶片等簡單的衍射型微結構即可實現分光、聚焦等功能； 電磁光學的出現，促進了微波和光波技術的融合，催生了微波光子學等新的學科； 量子光學則為新型光源和探測器的出現奠定了基礎。
伴隨著理論突破，20世紀見證了諸多變革性光學技術的誕生和發展，它們在一定程度上使得過去100年成為人類歷史長河中發展最為迅速、變革最為劇烈的一個階段。典型的變革性光學技術包括激光技術、光纖通信技術、CCD成像技術、LED照明技術、全息顯示技術等。激光作為美國20世紀的四大發明之一（另外三項為原子能、計算機和半導體），是光學技術上的重大里程碑。由于其極高的亮度、相干性和單色性，激光在光通信、先進制造、生物醫療、精密測量、激光武器乃至激光核聚變等技術中均發揮了至關重要的作用。
光通信技術是近年來另一項快速發展的光學技術，與微波無線通信一起極大地改變了世界的格局，使地球村成為現實。光學通信的變革起源于20世紀60年代，高琨提出用光代替電流，用玻璃纖維代替金屬導線實現信號傳輸的設想。1970年，美國康寧公司研制出損耗為20 dB/km的光纖，使光纖中的遠距離光傳輸成為可能，高琨也因此獲得了2009年的諾貝爾物理學獎。
除了激光和光纖之外，光學技術還改變了沿用數百年的照明、成像等技術。以最常見的照明技術為例，自1879年愛迪生發明白熾燈以來，鎢絲的熱輻射一直是最常見的照明光源。然而，受制于其極低的能量轉化效率，替代性的照明技術一直是人們不斷追求的目標。從水銀燈的發明到熒光燈的廣泛使用，再到獲得2014年諾貝爾物理學獎的藍光LED，新型節能光源已經使得地球上的夜晚不再黑暗。另外，CCD的出現為便攜式相機的推廣打通了最后一個障礙，使得信息社會更加豐富多彩。
20世紀末以來，光學技術雖然仍在快速發展，但其速度已經大幅減慢，以至于很多學者認為光學技術已經發展到瓶頸期。以大口徑望遠鏡為例，雖然早在1993年美國就建造出10 m口徑的凱克望遠鏡，但迄今為止望遠鏡的口徑仍然沒有得到大幅增加。美國的30 m望遠鏡仍在規劃之中，而歐洲的OWL百米望遠鏡則由于經費不足而取消。在光學光刻方面，受到衍射極限的限制，光刻分辨率取決于波長和數值孔徑，導致傳統i線（波長為365 nm）光刻機單次曝光分辨率在200 nm以上，而每臺高精度的193光刻機成本達到數億元人民幣，且單次曝光分辨率也僅為38 nm。
在上述所有光學技術中，光波調制的物理基礎都在于光與物質（包括增益介質、透鏡、反射鏡、光刻膠等）的相互作用。隨著光學技術從宏觀走向微觀，近年來的研究表明： 在小于波長的尺度上（即亞波長尺度），規則排列的微結構可作為人造原子和分子，分別對入射光波的電場和磁場產生響應。在這些微觀結構中，光與物質的相互作用變得比傳統理論中預言的更強，從而突破了諸多理論上的瓶頸難題，包括折反射定律、衍射極限、吸收厚度帶寬極限等，在大口徑望遠鏡、超分辨成像、太陽能、隱身和反隱身等技術中具有重要應用前景。譬如，基于梯度漸變的表面微結構，人們研制了多種平面的光學透鏡，能夠將幾乎全部入射光波聚集到焦點，且焦斑的尺寸可突破經典的瑞利衍射極限，這一技術為新型大口徑、多功能成像透鏡的研制奠定了基礎。
此外，具有潛在變革性的光學技術還包括量子保密通信、太赫茲技術、渦旋光束、納米激光器、單光子和單像元成像技術、超快成像、多維度光學存儲、柔性光學、三維彩色顯示技術等。它們從時間、空間、量子態等不同維度對光波進行操控，形成了覆蓋光源、傳輸模式、探測器的全鏈條創新技術格局。
值此技術變革的肇始期，清華大學出版社組織出版變革性光科學與技術叢書，是本領域的一大幸事。本叢書的作者均為長期活躍在科研第一線，對相關科學和技術的歷史、現狀和發展趨勢具有深刻理解的國內外知名學者。相信通過本叢書的出版，將會更為系統地梳理本領域的技術發展脈絡，促進相關技術的更快速發展，為高校教師、學生以及科學愛好者提供溝通和交流平臺。
是為序。
羅先剛2018年7月
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陳良惠，中國科學院半導體研究所研究員，中國工程院院士，歷任工程院常委，信息學部副主任。1962年畢業于復旦大學，畢業后在半導體所工作至今；主持研究高速硅光探測器，獲1986年國家科技進步二等獎。主持研制成功我國第一支量子阱激光器，獲1992年中科院科技進步一等獎，1995年國家科技進步三等獎。主持研制大功率半導體量子阱激光器獲1997年中科院科技進步一等獎，1998年國家科技進步三等獎，主持670 nm可見光激光器批量生產獲1999年中科院科技進步一等獎，2000年國家科技進步二等獎。發表論文100余篇。
第1章半導體照明技術和產業的內涵
1.1半導體照明和LED顯示的基本原理
1.1.1LED的基本原理及其發展歷史
1.1.2半導體照明的基本原理
1.1.3LED顯示的基本原理
1.2半導體照明產業的內涵
1.2.1半導體照明產業呈現不斷拓展的規律
1.2.2半導體照明產業鏈
1.3小結
第2章20032018年我國半導體照明技術和產業取得的巨大成就
2.1我國半導體照明方面的支持政策和發展規劃綜述
2.2我國半導體照明技術的發展情況
2.2.1我國半導體照明技術的專利授權統計與分析
2.2.2我國半導體照明達到的技術水平
2.2.3歷年在半導體照明方面獲得的國家級科技獎勵統計
2.3我國半導體照明各產業鏈產值
2.3.1材料外延和芯片產業產值變化趨勢
2.3.2LED封裝產業產值發展趨勢
2.3.3LED應用領域產值
2.4我國半導體照明產業的兼并重組情況及其影響分析
2.5我國半導體照明的市場占有率、照明用電量和半導體照明節電量統計調研
2.5.1統計樣本量估算
2.5.2實施方案
2.5.32016年和2017年我國在用照明光源的狀況
2.5.42016年和2017年半導體照明光源的占有率
2.5.5我國半導體照明節電量統計調研結果
2.6我國半導體照明產業發展情況（20172018年）與2002年中國工程院咨詢報告提出指標的對比情況
2.7小結
第3章國外半導體照明技術和產業現狀
3.1國外半導體照明技術、政策和產業現狀概述
3.2美國的半導體照明技術、政策和產業現狀
3.2.1美國半導體照明方面的研究計劃
3.2.2美國的照明產業現狀
3.3日本的半導體照明技術、政策和產業現狀
3.3.1日本的半導體照明支持政策和計劃
3.3.2日本的半導體照明產業現狀
3.4歐洲的半導體照明技術、政策和產業現狀
3.4.1歐洲的半導體照明支持政策和計劃
3.4.2歐洲的半導體照明產業現狀
3.5韓國的半導體照明技術、政策和產業現狀
3.6其他國家和地區的半導體照明技術支持政策或產業現狀
3.7小結
第4章中國半導體照明技術和產業的優劣勢分析
4.1半導體照明的專利對比分析
4.1.1授權趨勢對比分析： 中國起步晚，增速快
4.1.2全球專利布局對比分析： 中國專利國際化程度還有待加強
4.1.3申請人對比分析： 中國企業專利有待加強，缺少專利龍頭企業
4.1.4產業鏈環節對比分析： 中國上游領域仍處于劣勢，下游應用領域數量上有所突破
4.1.5核心專利分析： 以白光LED、LED路燈、Si基LED技術為例
4.1.6中國LED專利態勢分析
4.2半導體照明技術的國內外比較
4.2.1材料外延、芯片制備和封裝技術
4.2.2半導體通用照明技術
4.2.3半導體健康照明與光醫療技術
4.3半導體照明各產業鏈產值的對比分析
4.3.1材料外延和芯片產值對比分析
4.3.2LED封裝產值對比分析
4.3.3LED照明產品產值對比分析
4.4半導體照明各產業鏈利潤率的對比分析
4.5我國半導體照明產業經歷的337調查、召回事件以及在中美貿易戰中的地位
4.6我國半導體照明技術和產業的優劣勢分析
4.6.1我國半導體照明技術和產業的優勢
4.6.2我國半導體照明技術和產業的劣勢
第5章半導體照明未來的技術和市場發展趨勢分析
5.1LED材料外延和芯片的技術及市場發展趨勢
5.1.1硅基LED技術和產業的發展方向
5.1.2AlN紫外材料
5.1.3低溫GaN材料外延技術
5.1.4MicroLED
5.1.5納米LED技術
5.2LED封裝技術和市場發展趨勢分析
5.2.1熒光粉制備技術
5.2.2大功率LED模塊封裝技術
5.2.3晶圓級封裝及直接白光技術
5.2.4大功率LED封裝散熱設計
5.2.5LED封裝可靠性試驗及壽命評估
5.3LED照明光源技術和市場發展趨勢分析
5.3.1智能LED照明
5.3.2LED可見光照明 通信技術
5.3.3車用LED照明
5.3.4農業LED照明
5.3.5醫療健康LED照明
5.3.6人工智能中的LED技術
5.4LED顯示技術和市場發展趨勢
5.4.1常規LED顯示屏
5.4.2MicroLED顯示技術
5.5小結
第6章與半導體照明技術競爭的其他照明技術分析
6.1其他競爭性照明技術概述
6.2激光照明技術
6.2.1激光照明的概念和方案
6.2.2激光照明產業的現狀
6.2.3激光照明的技術和市場發展趨勢
6.2.4激光照明與LED照明的比較
6.3OLED照明技術
6.3.1OLED照明的工作原理
6.3.2OLED照明的產業現狀
6.3.3OLED照明技術面臨的問題
6.3.4OLED照明技術和市場的未來發展預測
6.3.5OLED照明的競爭力分析
6.4小結
第7章我國半導體照明技術和產業發展的目標預測與面臨的挑戰
7.1我國半導體照明技術和產業發展的目標預測
7.1.1技術目標預測
7.1.2產業目標預測
7.1.3市場占有率預測
7.1.4照明節電率預測
7.2我國半導體照明技術和產業面臨的挑戰
7.2.1我國MicroLED和MicroLED顯示技術面臨的問題
7.2.2發展納米LED技術和產業方面面臨的問題
7.2.3健康照明技術方面面臨的挑戰
7.2.4農業照明方面面臨的挑戰
7.2.5汽車照明發展面臨的挑戰
7.2.6LED可見光通信面臨的問題
7.3人才培養與有序流動面臨的挑戰
7.4標準及其執行方面面臨的挑戰
7.5高端裝備方面面臨的挑戰
第8章發展我國半導體照明技術和產業的戰略建議
8.1半導體照明技術和產業下一步發展的重點
8.2半導體照明市場環境建設
8.3半導體照明重點推廣的地區和領域
8.4半導體照明技術人才培養
索引
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