半导体固态照明(Solid State Lighting)是21世纪最具发展前景的新技术之一。作为一种新型高效的固体光源，其具有寿命长、节能、绿色环保、色彩丰富等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃。粗略估计，我国照明用电每年在3000亿度以上，若用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可节省1／3的照明用电，这对缓解能源危机、建设资源节约型和谐社会意义巨大。但半导体照明真正要实现大规模广泛应用，还需要克服制约其发展的瓶颈：出光、散热。从物理概念本身来看，LED的本质是一个半导体pn结，看似很简单，但其涉及了化合物半导体材料与制造、封装材料与集成、热学、光学、电学以及机械学等众多研究领域。
半导体照明的核心是大功率LED。大功率LED的发展受到包括芯片的结构、外延材料制造工艺、封装以及封装材料等多因素制约，这些也是限制白光LED性能进一步提高的技术瓶颈，尤其是在大功率LED照明中，随着功率的增大，“散热出光”的研究一直是困扰LED发展的专题。虽然LED是一种冷光源，但实际有70％左右的输入功率仍将转变成热量。如果不能将产生的热量及时散出，使pn结的温度保持在允许范围内，将会降低LED器件的寿命；pn结温度的升高还会进一步降低器件的发光效率。如何将产生的热量有效地导出、提高大功率LED器件的出光效率和可靠性，成为大功率LED封装的关键问题，也是目前国际上大功率LED研究的热点、难点问题。
独特的发光结构
日光灯管发光机理是靠灯管两端灯丝产生高电压使汞蒸汽击穿，产生紫外线，紫外线再激发涂在管壁上的荧光粉，从而发出白光。白炽灯的发光机理是电能将发光钨丝进行加热而发光，白炽灯发光消耗的电能大多转化为热能，发光效率很低。而LED的发光机理是源于其自身特殊的结构，LED主要由掺杂不同半导体材料的p型半导体和n型半导体组成的pn结、电极、反光碗、支架及灌封材料封装而成，当在LED两端施加正向电压时，pn结就会导通，p型半导体、n型半导体中的多子(电子)在电场力的作用下分别向n、p型区扩散，在两种半导体的交界面处发生复合，多余的能量以光子的形式释放，从而发出光。
发光原理的独特，决定了LED作为新一代半导体照明光源，具有诸多优点。发光效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，理论发光效率可达250lm／W(日光灯大约75lm／W)。无辐射：由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色照明光源。低耗能：作为光源，在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1／8～1／10，目前技术水平已经超过日光灯发光效率，而且提高潜力大。寿命长：理论寿命可达10万小时，而普通的白炽灯只有1000小时寿命，日光灯的寿命也在2万小时以内。绿色环保：废弃物可回收，相比于荧光灯含有汞的缺点，LED没有任何污染成份。响应时间快：具有纳秒级响应速度，频繁开关以及高频运作不会影响其寿命。
白光LED的实现及瓶颈
目前实现白光LED的方法主要有三种：1)通过蓝光LED芯片激发黄色荧光粉：由穿过荧光粉层的蓝光与蓝光激发荧光粉发出的黄绿光合成白光，为改善显色性能还可以在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红色荧光粉。缺点是色温不易控制、荧光粉涂覆难以及荧光粉高温易衰减；2)通过RGB三基色的LED芯片组合产生白光，优点是高显色性，缺点是RGB三种芯片寿命、效率均不一致，不容易得到均匀的显色，而且成本高；3)紫外光LED芯片激发三基色荧光粉发出RGB光合成白光，此方法优点是光色及色温可调，但存在紫外光辐射容易老化的缺陷。目前应用最广泛以及封装出光效率最高的是第一种方法。
LED根据功率的大小通常分为小功率LED和大功率LED，一般认为超过1W(含1W)的LED为大功率LED(这里说的超过1W是指封装器件的单颗芯片超过1W)。受限于当前外延技术，单颗大功率LED基本上都在5W以下，而市场化的大都在1W。由于单颗LED无法满足半导体照明亮度的要求，所以，需要通过集成LED芯片或者集成LED器件来实现大功率LED。
目前照明用LED大多是采用大功率LED芯片封装：一种是通过集成多颗大功率LED器件来实现，此方法容易操作，但由于是封装好的大功率器件集成，体积比较大，同时还存在成本高、出光均匀性差及配光难的问题。另一种方法是直接通过大功率LED芯片来集成，即LED多芯片集成技术(MCM－LED)。此方法可以直接在基板上集成多颗LED芯片，具有出光效率高、出光均匀、体积小、成本低的优点，缺点是热量集中，这也是目前大功率LED急需解决的一个瓶颈。无论是通过集成多颗大功率LED器件还是通过COB(Chip on Board)技术直接集成多颗大功率LED芯片来实现大功率LED，其瓶颈：散热、出光的解决都离不开封装这一环节。
产业结构及机遇
LED行业根据技术分为上游、中游、下游，三个层次由于技术特征和资本投入差异的巨大，呈金字塔状分布由少到多。上游主要是外延片的制作，具有典型的高技术、高资本投入特点，企业规模较大，企业数量也较少；中游主要是LED芯片的生产，由于核心技术难以掌握以及资本投入较大，企业数量相对上游略多；而下游企业则主要是LED器件的封装以及应用，下游封装虽然资本投入相对较少，但封装材料的选择搭配、新结构的设计、热学控制、出光设计等都存在需要解决的瓶颈，也直接关系到最终器件的性能，而且封装也是涉及领域最为广泛的一部分，所以吸引了大量的研究人员。
目前，半导体照明产业形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局，知名企业有美国Cree、Lumileds，日本日亚(Nichia)、丰田合成(Toyoda Gosei)，德国Osram等。我国台湾上游产业始于1993年，台湾在低成本产业化技术、市场占有率等方面具有优势。
中国LED产业虽然起步较晚，但是目前已经形成了基本完整的产业链，从外延衬底、外延片到LED芯片，再到封装应用等都已经形成规模，并初步形成了珠江三角洲、长江三角洲、环渤海地区、江西及福建地区四大区域，每一区域都初步形成了比较完整的产业链，85％以上的LED企业分布在这些地区。国家半导体照明工程批准上海、厦门、大连、南昌、深圳、扬州、石家庄为半导体照明工程产业化基地，基本反映了这种产业格局，目前中国还需要开发具有自主知识产权的核心技术。
半导体LED照明的重要性还体现在世界三大照明工业巨头：通用电气、飞利浦、殴司朗的行动上，三大公司早已启动了大规模商用开发计划，采用合作或者收购的方式，成立半导体LED照明部门。美国能源部计划用10年时间，耗资5亿美元开发半导体照明，计划在2012年实现150lm／W。日本于1998年在世界率先开展“21世纪照明”计划，计划到2010年，LED的发光效率达到120lm／W。此外还有韩国“GaN半导体开发计划”、欧盟“彩虹计划”。由于我们国家是一个人口大国，出口大国，面对刚刚起步的LED照明，技术落后不是太多，所以中国在照明灯具领域面临着前所未有的机遇，国家也相应的实施了“国家半导体照明工程”。
2008年北京奥运会上，缓缓升起的奥运五环、梦幻效果的鸟巢“场地大屏幕”以及众多比赛场馆的照明灯等，是半导体LED照明在奥运史上首次大规模的使用，而且达到了前所未有的效果，也实现了此次奥运会“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的理念。可以说，随着LED外延技术、封装技术的进一步提高，更多意想不到的LED示范工程及其色彩绚丽照明灯具将展现在大家面前。半导体LED照明作为人类照明史上的又一次变革，相信会在两年后的2010年上海世博会上大放异彩，实现“Better City，Better Life”。
本文作者张建华来自上海大学，新型显示技术及应用集成教育部重点实验室