微型发光二极管（micro-LED）凭借其卓越的亮度、能效、耐用性和广色域，正在革新显示技术，使其成为增强现实/虚拟现实系统、可穿戴设备和下一代消费电子产品的理想选择。然而，制造方面的挑战限制了其广泛应用，这些挑战使得大规模生产变得复杂且成本高昂。申智浩博士的最新 研究提出了克服这些制造难题的策略，为实现可扩展、高良率且经济高效的micro-LED生产提供了途径。

是什么让微型LED在显示领域具有颠覆性意义？

微型发光二极管（Micro- LED）是基于III-V族化合物的无机半导体p-n结二极管，例如用于红色发光的AlGaInP/GaAs和用于绿色和蓝色发光的InGaN/GaN。这些小型扁平光源可以排列成密集阵列，从而提供极高的对比度和分辨率。

它们的活性区由多个量子阱（MQW）组成，这些量子阱能够限制电荷载流子，并通过高效的辐射复合产生光子发射。与OLED和QD-LED技术相比，这种量子限制效应使其具有更高的亮度、对比度和能量效率。

微型LED亮度可达10万尼特以上，且效率不损失，相比之下，OLED的亮度为500-1000尼特，LCD约为3000尼特。其无机结构使其具有较长的使用寿命、较强的抗氧化性和在-100至120℃温度范围内稳定的性能。此外，它们还具有纳秒级的响应时间、宽广的视角和出色的阳光下可视性。

尽管商业化面临挑战，但其卓越的亮度、效率、图像质量和耐用性正在加速其在可穿戴设备、AR/VR系统、汽车和航空航天显示器、可见光通信以及柔性显示平台等领域的应用，使其成为OLED和LCD技术最可行的继任者。^1,2

微型LED制造和集成面临的挑战

微型LED的发展面临两个制约其大规模商业化的重大挑战：尺寸相关的效率下降和传质限制。

当芯片尺寸小于 20 μm 时，由于侧壁缺陷会诱发非辐射复合，导致外量子效率 (EQE) 急剧下降，从而显著降低器件性能。这种效应在红色 AlGaInP 微型 LED 中最为明显，因为这类器件具有更长的载流子扩散长度和更高的表面复合速度。而 InGaN 基绿色和蓝色微型 LED 在相似尺寸下仍能分别保持约 40% 和 30% 的 EQE。目前的研究方向是优化外延生长、器件结构和材料，以实现微尺度下高效的全色发光。

质量传输是第二个主要瓶颈，因为它是将单独制造的RGB微型LED芯片集成到CMOS背板上以实现有源矩阵操作所必需的。这一点在需要大约2400万个RGB芯片的4K显示器中尤为明显，即使0.01%的缺陷率也会导致数千个子像素损坏。

此类缺陷可通过激光返修、选择性芯片更换或冗余像素补偿等修复技术进行纠正。然而，这些方法成本高昂、耗时，且需要严格的质量控制，与OLED和QLED技术相比，这显著增加了微型LED显示器的制造成本。4

聚焦申智浩博士的研究

德克萨斯农工大学化学工程教授申智浩博士在《光：科学与应用》杂志上发表了一篇综述文章，全面评估了微型LED的潜力，并指出了阻碍其广泛应用的制造难题。该研究着重探讨了效率和传质方面的挑战，并探索了替代材料和先进的组装方法。⁵

研究人员提出的一个很有前景的解决方案是开发基于InGaN的红色微型LED，以克服尺寸相关的效率损失。与生长在GaAs衬底上的传统AlGaInP红色LED不同，红色InGaN LED是在蓝宝石衬底上制造的，其成分和外延结构与绿色和蓝色InGaN LED类似。这种结构最大限度地减少了侧壁相关的非辐射复合，从而在更小的芯片尺寸下保持了更高的外部量子效率。此外，该方法通过标准化外延生长、芯片加工和集成步骤简化了制造工艺，降低了复杂性和生产成本。

为了解决传质难题，该研究探索了高精度放置技术，例如激光诱导前向转移 (LIFT) 和流体自组装 (FSA)，其中 LIFT 利用激光脉冲进行芯片定位，而 FSA 利用流体动力学和表面张力进行对准。

此外，它还提出了开发微型装配线以实现芯片自动放置的方案，与传统制造方法相比，这种方案能够提供更快、更精确的装配。6

Micro-LED显示屏的下一步发展方向是什么？

在三星、LG、友达光电和TCL等厂商的引领下，Micro-LED技术正从原型开发阶段过渡到高端电视和数字标牌领域的早期商业化阶段。最初的原型尺寸小于10英寸，而如今，基于第四代半基板的量产产品尺寸已超过100英寸，并通过优化基板利用率，提高了制造效率、良率并降低了成本。

尽管取得了这些进展，但由于制造工艺复杂、转移良率低、制造成本高，微型LED预计在短期内仍将局限于高端市场。

随着生产效率的提高，Micro-LED有望扩展到智能手机、可穿戴电子产品和AR/VR系统等主流应用领域，其卓越的亮度、能效和寿命优势在这些领域具有显著优势。汽车行业也有望通过将其集成到信息娱乐系统、透明仪表盘和先进的抬头显示器中来推动其应用。^4,7

随着材料、工艺集成和良率优化方面的不断创新，Micro-LED 有望重新定义消费电子、汽车系统和沉浸式环境等领域的下一代显示技术。

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