本書(shū)是中國(guó)工程院重點(diǎn)咨詢(xún)項(xiàng)目的成果，系統(tǒng)總結(jié)了2003年至2019年期間我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成就及經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)激光照明、OLED等照明技術(shù)進(jìn)行了分析，總結(jié)了半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展在材料外延、芯片制備、封裝技術(shù)以及在通用照明、智慧照明、新型顯示、可見(jiàn)光通信、健康照明、農(nóng)業(yè)照明、醫(yī)療照明等方面的著力點(diǎn)，提出了促進(jìn)我國(guó)固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議。
本書(shū)系統(tǒng)總結(jié)了我國(guó)十五年來(lái)半導(dǎo)體照明全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的巨大成就，分析了我國(guó)照明產(chǎn)業(yè)的兼并重組情況及其影響。
光是生命能量的重要來(lái)源，也是現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ)。早在幾千年前人類(lèi)便已開(kāi)始了對(duì)光的研究，然而，真正的光學(xué)技術(shù)直到400年前才誕生，斯涅耳、牛頓、費(fèi)馬、惠更斯、菲涅耳、麥克斯韋、愛(ài)因斯坦等學(xué)者相繼從不同角度研究了光的本性。從基礎(chǔ)理論的角度看，光學(xué)經(jīng)歷了幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、電磁光學(xué)、量子光學(xué)等階段，每一階段的變革都極大地促進(jìn)了科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展。例如，波動(dòng)光學(xué)的出現(xiàn)使得調(diào)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(jiǎn)單的衍射型微結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)分光、聚焦等功能； 電磁光學(xué)的出現(xiàn)，促進(jìn)了微波和光波技術(shù)的融合，催生了微波光子學(xué)等新的學(xué)科； 量子光學(xué)則為新型光源和探測(cè)器的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
伴隨著理論突破，20世紀(jì)見(jiàn)證了諸多變革性光學(xué)技術(shù)的誕生和發(fā)展，它們?cè)谝欢ǔ潭壬鲜沟眠^(guò)去100年成為人類(lèi)歷史長(zhǎng)河中發(fā)展最為迅速、變革最為劇烈的一個(gè)階段。典型的變革性光學(xué)技術(shù)包括激光技術(shù)、光纖通信技術(shù)、CCD成像技術(shù)、LED照明技術(shù)、全息顯示技術(shù)等。激光作為美國(guó)20世紀(jì)的四大發(fā)明之一（另外三項(xiàng)為原子能、計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體），是光學(xué)技術(shù)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(jìn)制造、生物醫(yī)療、精密測(cè)量、激光武器乃至激光核聚變等技術(shù)中均發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
光通信技術(shù)是近年來(lái)另一項(xiàng)快速發(fā)展的光學(xué)技術(shù)，與微波無(wú)線通信一起極大地改變了世界的格局，使地球村成為現(xiàn)實(shí)。光學(xué)通信的變革起源于20世紀(jì)60年代，高琨提出用光代替電流，用玻璃纖維代替金屬導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)想。1970年，美國(guó)康寧公司研制出損耗為20 dB/km的光纖，使光纖中的遠(yuǎn)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(xué)獎(jiǎng)。
除了激光和光纖之外，光學(xué)技術(shù)還改變了沿用數(shù)百年的照明、成像等技術(shù)。以最常見(jiàn)的照明技術(shù)為例，自1879年愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈以來(lái)，鎢絲的熱輻射一直是最常見(jiàn)的照明光源。然而，受制于其極低的能量轉(zhuǎn)化效率，替代性的照明技術(shù)一直是人們不斷追求的目標(biāo)。從水銀燈的發(fā)明到熒光燈的廣泛使用，再到獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的藍(lán)光LED，新型節(jié)能光源已經(jīng)使得地球上的夜晚不再黑暗。另外，CCD的出現(xiàn)為便攜式相機(jī)的推廣打通了最后一個(gè)障礙，使得信息社會(huì)更加豐富多彩。
20世紀(jì)末以來(lái)，光學(xué)技術(shù)雖然仍在快速發(fā)展，但其速度已經(jīng)大幅減慢，以至于很多學(xué)者認(rèn)為光學(xué)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到瓶頸期。以大口徑望遠(yuǎn)鏡為例，雖然早在1993年美國(guó)就建造出10 m口徑的凱克望遠(yuǎn)鏡，但迄今為止望遠(yuǎn)鏡的口徑仍然沒(méi)有得到大幅增加。美國(guó)的30 m望遠(yuǎn)鏡仍在規(guī)劃之中，而歐洲的OWL百米望遠(yuǎn)鏡則由于經(jīng)費(fèi)不足而取消。在光學(xué)光刻方面，受到衍射極限的限制，光刻分辨率取決于波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑，導(dǎo)致傳統(tǒng)i線（波長(zhǎng)為365 nm）光刻機(jī)單次曝光分辨率在200 nm以上，而每臺(tái)高精度的193光刻機(jī)成本達(dá)到數(shù)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(xué)技術(shù)中，光波調(diào)制的物理基礎(chǔ)都在于光與物質(zhì)（包括增益介質(zhì)、透鏡、反射鏡、光刻膠等）的相互作用。隨著光學(xué)技術(shù)從宏觀走向微觀，近年來(lái)的研究表明： 在小于波長(zhǎng)的尺度上（即亞波長(zhǎng)尺度），規(guī)則排列的微結(jié)構(gòu)可作為人造原子和分子，分別對(duì)入射光波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)。在這些微觀結(jié)構(gòu)中，光與物質(zhì)的相互作用變得比傳統(tǒng)理論中預(yù)言的更強(qiáng)，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(yuǎn)鏡、超分辨成像、太陽(yáng)能、隱身和反隱身等技術(shù)中具有重要應(yīng)用前景。譬如，基于梯度漸變的表面微結(jié)構(gòu)，人們研制了多種平面的光學(xué)透鏡，能夠?qū)缀跞咳肷涔獠ň奂浇裹c(diǎn)，且焦斑的尺寸可突破經(jīng)典的瑞利衍射極限，這一技術(shù)為新型大口徑、多功能成像透鏡的研制奠定了基礎(chǔ)。
此外，具有潛在變革性的光學(xué)技術(shù)還包括量子保密通信、太赫茲技術(shù)、渦旋光束、納米激光器、單光子和單像元成像技術(shù)、超快成像、多維度光學(xué)存儲(chǔ)、柔性光學(xué)、三維彩色顯示技術(shù)等。它們從時(shí)間、空間、量子態(tài)等不同維度對(duì)光波進(jìn)行操控，形成了覆蓋光源、傳輸模式、探測(cè)器的全鏈條創(chuàng)新技術(shù)格局。
值此技術(shù)變革的肇始期，清華大學(xué)出版社組織出版變革性光科學(xué)與技術(shù)叢書(shū)，是本領(lǐng)域的一大幸事。本叢書(shū)的作者均為長(zhǎng)期活躍在科研第一線，對(duì)相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)具有深刻理解的國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者。相信通過(guò)本叢書(shū)的出版，將會(huì)更為系統(tǒng)地梳理本領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的更快速發(fā)展，為高校教師、學(xué)生以及科學(xué)愛(ài)好者提供溝通和交流平臺(tái)。
是為序。
羅先剛2018年7月
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陳良惠，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員，中國(guó)工程院院士，歷任工程院常委，信息學(xué)部副主任。1962年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，畢業(yè)后在半導(dǎo)體所工作至今；主持研究高速硅光探測(cè)器，獲1986年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。主持研制成功我國(guó)第一支量子阱激光器，獲1992年中科院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，1995年國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。主持研制大功率半導(dǎo)體量子阱激光器獲1997年中科院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，1998年國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，主持670 nm可見(jiàn)光激光器批量生產(chǎn)獲1999年中科院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，2000年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。發(fā)表論文100余篇。
第1章半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的內(nèi)涵
1.1半導(dǎo)體照明和LED顯示的基本原理
1.1.1LED的基本原理及其發(fā)展歷史
1.1.2半導(dǎo)體照明的基本原理
1.1.3LED顯示的基本原理
1.2半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的內(nèi)涵
1.2.1半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)不斷拓展的規(guī)律
1.2.2半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈
1.3小結(jié)
第2章20032018年我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)取得的巨大成就
2.1我國(guó)半導(dǎo)體照明方面的支持政策和發(fā)展規(guī)劃綜述
2.2我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展情況
2.2.1我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)的專(zhuān)利授權(quán)統(tǒng)計(jì)與分析
2.2.2我國(guó)半導(dǎo)體照明達(dá)到的技術(shù)水平
2.2.3歷年在半導(dǎo)體照明方面獲得的國(guó)家級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)統(tǒng)計(jì)
2.3我國(guó)半導(dǎo)體照明各產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值
2.3.1材料外延和芯片產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值變化趨勢(shì)
2.3.2LED封裝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值發(fā)展趨勢(shì)
2.3.3LED應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)值
2.4我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的兼并重組情況及其影響分析
2.5我國(guó)半導(dǎo)體照明的市場(chǎng)占有率、照明用電量和半導(dǎo)體照明節(jié)電量統(tǒng)計(jì)調(diào)研
2.5.1統(tǒng)計(jì)樣本量估算
2.5.2實(shí)施方案
2.5.32016年和2017年我國(guó)在用照明光源的狀況
2.5.42016年和2017年半導(dǎo)體照明光源的占有率
2.5.5我國(guó)半導(dǎo)體照明節(jié)電量統(tǒng)計(jì)調(diào)研結(jié)果
2.6我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況（20172018年）與2002年中國(guó)工程院咨詢(xún)報(bào)告提出指標(biāo)的對(duì)比情況
2.7小結(jié)
第3章國(guó)外半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.1國(guó)外半導(dǎo)體照明技術(shù)、政策和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀概述
3.2美國(guó)的半導(dǎo)體照明技術(shù)、政策和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.2.1美國(guó)半導(dǎo)體照明方面的研究計(jì)劃
3.2.2美國(guó)的照明產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.3日本的半導(dǎo)體照明技術(shù)、政策和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.3.1日本的半導(dǎo)體照明支持政策和計(jì)劃
3.3.2日本的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.4歐洲的半導(dǎo)體照明技術(shù)、政策和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.4.1歐洲的半導(dǎo)體照明支持政策和計(jì)劃
3.4.2歐洲的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.5韓國(guó)的半導(dǎo)體照明技術(shù)、政策和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.6其他國(guó)家和地區(qū)的半導(dǎo)體照明技術(shù)支持政策或產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.7小結(jié)
第4章中國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的優(yōu)劣勢(shì)分析
4.1半導(dǎo)體照明的專(zhuān)利對(duì)比分析
4.1.1授權(quán)趨勢(shì)對(duì)比分析： 中國(guó)起步晚，增速快
4.1.2全球?qū)＠季謱?duì)比分析： 中國(guó)專(zhuān)利國(guó)際化程度還有待加強(qiáng)
4.1.3申請(qǐng)人對(duì)比分析： 中國(guó)企業(yè)專(zhuān)利有待加強(qiáng)，缺少專(zhuān)利龍頭企業(yè)
4.1.4產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)對(duì)比分析： 中國(guó)上游領(lǐng)域仍處于劣勢(shì)，下游應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)量上有所突破
4.1.5核心專(zhuān)利分析： 以白光LED、LED路燈、Si基LED技術(shù)為例
4.1.6中國(guó)LED專(zhuān)利態(tài)勢(shì)分析
4.2半導(dǎo)體照明技術(shù)的國(guó)內(nèi)外比較
4.2.1材料外延、芯片制備和封裝技術(shù)
4.2.2半導(dǎo)體通用照明技術(shù)
4.2.3半導(dǎo)體健康照明與光醫(yī)療技術(shù)
4.3半導(dǎo)體照明各產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值的對(duì)比分析
4.3.1材料外延和芯片產(chǎn)值對(duì)比分析
4.3.2LED封裝產(chǎn)值對(duì)比分析
4.3.3LED照明產(chǎn)品產(chǎn)值對(duì)比分析
4.4半導(dǎo)體照明各產(chǎn)業(yè)鏈利潤(rùn)率的對(duì)比分析
4.5我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷的337調(diào)查、召回事件以及在中美貿(mào)易戰(zhàn)中的地位
4.6我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的優(yōu)劣勢(shì)分析
4.6.1我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)
4.6.2我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的劣勢(shì)
第5章半導(dǎo)體照明未來(lái)的技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)分析
5.1LED材料外延和芯片的技術(shù)及市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)
5.1.1硅基LED技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向
5.1.2AlN紫外材料
5.1.3低溫GaN材料外延技術(shù)
5.1.4MicroLED
5.1.5納米LED技術(shù)
5.2LED封裝技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)分析
5.2.1熒光粉制備技術(shù)
5.2.2大功率LED模塊封裝技術(shù)
5.2.3晶圓級(jí)封裝及直接白光技術(shù)
5.2.4大功率LED封裝散熱設(shè)計(jì)
5.2.5LED封裝可靠性試驗(yàn)及壽命評(píng)估
5.3LED照明光源技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)分析
5.3.1智能LED照明
5.3.2LED可見(jiàn)光照明 通信技術(shù)
5.3.3車(chē)用LED照明
5.3.4農(nóng)業(yè)LED照明
5.3.5醫(yī)療健康LED照明
5.3.6人工智能中的LED技術(shù)
5.4LED顯示技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)
5.4.1常規(guī)LED顯示屏
5.4.2MicroLED顯示技術(shù)
5.5小結(jié)
第6章與半導(dǎo)體照明技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的其他照明技術(shù)分析
6.1其他競(jìng)爭(zhēng)性照明技術(shù)概述
6.2激光照明技術(shù)
6.2.1激光照明的概念和方案
6.2.2激光照明產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀
6.2.3激光照明的技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)
6.2.4激光照明與LED照明的比較
6.3OLED照明技術(shù)
6.3.1OLED照明的工作原理
6.3.2OLED照明的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
6.3.3OLED照明技術(shù)面臨的問(wèn)題
6.3.4OLED照明技術(shù)和市場(chǎng)的未來(lái)發(fā)展預(yù)測(cè)
6.3.5OLED照明的競(jìng)爭(zhēng)力分析
6.4小結(jié)
第7章我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)預(yù)測(cè)與面臨的挑戰(zhàn)
7.1我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)預(yù)測(cè)
7.1.1技術(shù)目標(biāo)預(yù)測(cè)
7.1.2產(chǎn)業(yè)目標(biāo)預(yù)測(cè)
7.1.3市場(chǎng)占有率預(yù)測(cè)
7.1.4照明節(jié)電率預(yù)測(cè)
7.2我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)
7.2.1我國(guó)MicroLED和MicroLED顯示技術(shù)面臨的問(wèn)題
7.2.2發(fā)展納米LED技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面面臨的問(wèn)題
7.2.3健康照明技術(shù)方面面臨的挑戰(zhàn)
7.2.4農(nóng)業(yè)照明方面面臨的挑戰(zhàn)
7.2.5汽車(chē)照明發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
7.2.6LED可見(jiàn)光通信面臨的問(wèn)題
7.3人才培養(yǎng)與有序流動(dòng)面臨的挑戰(zhàn)
7.4標(biāo)準(zhǔn)及其執(zhí)行方面面臨的挑戰(zhàn)
7.5高端裝備方面面臨的挑戰(zhàn)
第8章發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略建議
8.1半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)下一步發(fā)展的重點(diǎn)
8.2半導(dǎo)體照明市場(chǎng)環(huán)境建設(shè)
8.3半導(dǎo)體照明重點(diǎn)推廣的地區(qū)和領(lǐng)域
8.4半導(dǎo)體照明技術(shù)人才培養(yǎng)
索引
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