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1、郑有炓院士：Micro-LED 显示面临的机遇与挑战 近日，在 Micro-LED 显示高峰论坛上，来自中国 科学院院士，南京大学电子科学与工程学院郑有炓教授应 邀出席论坛，并发表了题为：Micro-LED 显示面临的机 遇与挑战的精彩演讲。 以下是演讲实录： 郑有炓：各位领导、各位专家、各位同仁早上好，很 荣幸应会务组的邀请，有机会来参加今天这样一个，应该 说是显示领域的发展带有里程碑意义的研讨会。我在这个 会上作一个发言，我汇报的题目就是Micro-LED 显示面 临的机遇与挑战 ，我起这个题目就是谈谈自己的一些看法。 我在准备过程的报告当中，得到了我们实验室教授的支持 和帮助，从 LED
2、 显示角度来讲：Micro-LED 应该说是 LED 显示技术发展的必然趋势，必然要走这一步，从最早的第 一代显示开始已经进入到第二代小间距显示，小间距显示 再走下去显然是更小的间距，那就是 Micro-LED，从 LED 显示角度来讲这是必然要走的，问题是什么时候进入到第 三代，第三代怎么样定义它，究竟什么尺寸，是多大的维 度？所以从半导体技术来讲，Micro-LED 是以微米量级 LED 作为像素元，按微米量级周期在 CMOS 驱动的 TFT 基 板上组装成的超高像素密度 LED 平面显示技术。没有什么 新的概念，就像集成电路从小规模到大规模再到超大规模 一样，我们怎么样认识 Micro-
3、LED 呢？我想讲三个问题， 同时解释我的一些看法。 首先看发展机遇与挑战的分析，先谈一下它的发展概 况。Micro-LED 这个显示技术的发展，算起来已经有 17 年 的历史，以下简称“MLD 技术” ，这个技术经过 17 年的发 展，分了以下三个阶段：第一个阶段是概念的提出与原型 验证，回归 2001 年，姜教授等人研制了微尺寸的 III 族氮 化物蓝色 LED 微显示器。2009 年，香港科技大学 Z. J. Liu 所在团队利用 UV Micro-LED 阵列激发红绿蓝三色荧光粉， 得到了全彩色的微 LED 显示芯片。然后是概念的验证， MLD 朝实用化技术开发，在这个阶段里面不断取得
4、了重要 性的成果，而且 SONY 公司推出了第一个 MLD 产品原型， 就是大尺寸的显示屏，计划明年还要推出新的产品出来， 这是显示界制造业开始进入，往产品方向发展，而且做出 了产品样品。这个阶段差不多四五年时间里面，主要的进 展揭示了 MLD 的技术有超越的性能，它本身是自发光体系， 具有功耗低、亮度高、超高的解析度与色彩饱和度，响应 速度更快、使用寿命长、效率较高等特点，引起了业界的 高度重视。特别是下面三点，在功耗上它是 LCD 的 10%， 是 OLED 的 50%，它亮度比 OLED 高 30 倍，解析度可以达 到超过 1500PPI，这三个特点是目前从显示技术来看很高的 水平。比如
5、与液晶 LCD 相比有这些区别，最主要的一点是 功耗低，只有 LCD 的 10%，跟 OLED 相比的话，它也有七 个特点，它功耗是 OLED 的 50%，但亮度比 OLED 高 30 倍。 所以说 OLED 在某些领域，在前面两个指标有困难的情况 之下，Micro-LED 就可以进入这个领域。 由于这些性能的挖掘，MLD 的确有非常优越的性能， 所以引起了业界巨头的投入，名牌企业积极跟上。为什么 这么多企业搞这么手段来做这个技术？我想他的意图是多 方面的，最起码一点意识到这个技术是有价值的，是有用 的，有特色的，否则他不会做这些商业手段来投资和输入。 这样一来就引起国际上的振动，比如说谷歌公
6、司投资瑞典 Glo 开发移动终端产品，还有 Facebook 的 VR 企业部门收 购了 InfiniLED 公司等等。这样一个情况就引发了 MLD 的 开发浪潮，为什么今天的会议这么多人，其实还有更多人， 大家都很关心，不光显示界，投资界、金融界都关心；我 举一些例子，这是一些进展，台湾工研院准备建立一条 Micro-LED 试生产线，明年做出 VR 产品交付生产，这是很 有勇气的计划。另外台湾錼创今年完成了一种 RGB 颜色的 Micro-LED 晶圆的开发。我们实验室也开展了研究工作， 在 2 英寸蓝宝石衬底上可制备 12 个 320 乘 256Micro-LED 显示阵列，经筛选后，面
7、阵内像素成品率可达 100%。 前面讲了概况，下面讲一下发展的机遇，MLD 技术经 过十多年的发展，已经取得了一定的进展，特别是验证了 它的优越性，在业界引起了很大的振动，引发了包括 LED、LCD、OLED 的显示界以及 IT、AI 业界国际巨头的 关心和期待，为 MLD 技术带来了很好的发展机遇。第二点 随着互联网、物联网、人工智能、智能制造和智慧社会的 发展，对显示技术不断提出新的要求，就要发展包括携带 式、VR、AR 在内的各种智能移动终端的高品质显示，也 需要发展低功耗高分辨的大型电视墙、商用拼接显示屏和 公共显示屏等等，随着目前信息产品发展，急需要发展新 的技术，我们认为这是很好的
8、机遇。第三个机遇是现有的 LCD 和 OLED 显示技术都面临若干新的挑战，比如说 LCD 在大型电视墙，甚至 55 寸以上电视机成本都非常高，还有 OLED 技术对抬头显示、全太阳光环境显示是不行的，虽然 OLED 生产很好，但在特殊情况下它的发展遇到了瓶颈。第 四个机遇，是 LED 显示界开拓新应用新市场。怎么样走呢？ 主要是像素的大小和像素的周期，改变像素间距和周期可 以从大屏幕向小屏幕发展减小像素间距可提高分辨力和缩 短观看距离，小的 LED 可以走向主流的市场，对 MLD 显 示来说正好抓住了机遇。 前面分析了四个机遇，也引起了大家的关心，都在讨 论要不要介入进去，各有各的不同意见，
9、但是这样的技术 还面临很多挑战，Micro-LED 从技术上来讲主要是三大块， 第一块是将 Micro-LED 管芯转移到电流驱动的 TFT 背板上， 按微米级周期组装构成高密度级两维阵列结构。第二个微 米级的管芯首先要求要高品质的，而且要 RGB 三基色 LED 构成像素光源，最大的挑战就在于两个，一个是像素的光 源，第二个是怎么样组装，其他问题都好办。下面关于巨 量转移技术，主要是大量的管芯要转移，比如说 6 毫米间 距，它包含三万个像素，如果乘 3 的话，就是 9 万多 TFT，第二代进入小间距以后，1.2 毫米的话，一平方米大 概包括 60 万个像素，再乘 3 差不多 200 万个管芯
10、，如果再 往更小的发展，就是成千上百万的管芯转移，这对集成电 路技术来讲不在话下，这是把分类器件分层化，这在功能 上是一个难点。所谓转移就是如何实现高时效、高良品率 转移数百万 LED 管芯到驱动电路基板上，比如说台湾工研 院的从单个转移进而发展“阵列单元”转移技术， 5050(2500 颗 LED 管芯） ；100100（1 万颗） 。第二个是对产 业化良品率至少要达到 5 个标准差，比如说工业制程 6 个 标准差（6）是指生产的产品必需有 99.99966%的产品没 有问题，相当于一百万个中有 3、4 个有缺陷。这里面要求 很高，要实现高良品率的话需要智能转移技术。 第二个挑战是三基色 M
11、icro-LED 的像素光源问题，按 照目前三基色蓝光、绿光要 GaN，但目前 GaAsP 的红光 LED 光效较低，那如何提高亮度呢？还有怎么样解决红光 效率问题，可喜的是最近红光效率做的不错，但是还有差 距。另外问题在这边，宽禁带 GaN-LED、窄禁带 GaAsP- LED 光电性能差异，如电流工作条件，发光波长温度漂移， 工作寿命等，两种不同材料在不同条件下工作，要解决两 种材料像素源的温度稳定性问题。 第三个问题就是三基色 Micro-LED 的像素组装尺寸微 米化受限，很难实现超高密度封装技术，超高密度是今后 人工智能发展重要的方向，像素光源就碰到这些问题，前 面转移应该是工程界问
12、题，这个是基本的问题，牵扯到半 导体的基本问题在里头，但是我想还是可以慢慢克服的。 如果发展成单片式的，怎么设置 RGB 呢？又是新的问题了， 目前在研究界里面做出探索什么新技术呢？像素光源新技 术，怎么样能够实现很好的 RGB 三基色。比如一个就是波 长变换技术，用 Micro-LED 蓝光作为一个激发源，来激发 一个发光层材料，用半导体领域里面最热门的材料二位晶 体，比如说二硫化物等等，它能够吸收蓝光，下转红光发 绿光，这样一来 Micro-LED 只做蓝光 LED，那是很简单的 事情，发光由二位晶体波长变换，这样就变得很简单。这 是我们实验室做的结果，在二氧化硅处理上长了单晶 MoS2，
13、具有很好的均一性，蓝光激发 MoS2 薄膜发射纯正 红光，这个探讨也蛮多的，这样可以解决很多问题，可以 得到很好的 RGB 三个基色。 还有就是纳米柱 RGB 像素光源，如果 Micro-LED 尺寸 小了，那面板上不去的，而且一损坏了就缺了一大面，就 把 LED 做成柱状的，这个美国的公司也在做了，整个柱状 的发光面可以做的细小，还可以有足够的亮度。这是我们 实验室刘斌教授做的，用纳米柱，用不同直径根据量子效 应调整到这个柱子发红光，那个柱子发绿光，就解决了不 要两种材料，一种材料就可以做出三种颜色出来，纳米柱 的应用从微量子技术来讲还是比较方便的，如果有兴趣的 话可以和刘斌教授讨论，他今天
14、也来参会的。这个是量子 点混合结构 LED，这个工作的论文都发表了。第三个是用 量子点 LED 的 RGB 像素光源，就是量子点材料作为发光 层，底下是蓝光 LED，上面那一层是量子点材料，量子点 是用无机材料，比如说锌、铬、锡、硫等等，这个技术比 较成熟，量子点材料什么特点呢？它对吸收光强吸收，吸 收很高，这样蓝光的 LED 发光就降低了，还没有自吸收的 现象，这样发光效率更高，可以降低蓝光功耗，目前从理 论上看比较理想的，高效率、高出光效率，而且可以降低 激发源的功率。这个大家知道是量子点 TV，用这个作为 MLD 的背光，原来背光要通过好多层来处理，得到一个颜 色出来，现在直接用颜色背光
15、，从背光到有用的光有效率 不到 10%，一般到 6%到 8%，如果这样的话效率就高了， 所以量子点的 TV 是 TV 的最终产品，而且成本便宜、工艺 简单了，而且亮度很纯，三个纯的 RGB 颜色可以合成任何 颜色，目前好多市场已经推出来了，包括国内几个公司也 推出来了。第四个就是 LED 芯片尺寸问题，现在做的是横 向尺寸，电流横向流，电流密度不均匀发热，以后要做垂 直性的 LED，这样电流是垂直流动的，电流是均匀分布的， 发光面有效增加面积，要做垂直性的要用 GaN 衬底来做， 这个工作国际上也在探讨当中，垂直 LED 的结构化对缩小 像素面积是非常有利的。这也是我们实验室做的氢化物气 相外
16、延和 GaN 衬底材料，现在可以做到 6 英寸，将来表面 抛光好就可以做 Micro-LED。 前面我分析了一下目前 Micro-LED 面临的机遇和挑战， 根据目前的机遇和挑战我提出底下几个看法，这个看法不 一定正确，供大家讨论，我想这个会议应该是百家争鸣， 是讨论的会议，大家可以批评指正。第一个我想 MLD 是一 项很有价值的新一代显示技术，先肯定它这是非常有价值 的技术，为什么呢？因为它具有独特的优越性能，另外它 可以满足新一代信息技术设备发展的迫切需求，目前这个 发展技术不存在不可超越的科技问题，基本上是工程问题 为主，另外这个技术还可以继承 LCD 和 OLED 发展起来的 成熟技术，目前面临的主要问题还是工程问题，工程问题 在目前这样往智能制造发展的社会上总会很好解决的，成 本问题是新技术必然要走的一条路，只要它不是一个科学 的限制问题，我想工程问题会慢慢解决的，迟早会见效的， 现在看难度毫无疑问是成本，但十年以后、五年以后这个 问题会慢慢降低，任何一个新技术发展都要走一个过程， 它的价值是肯定的，它碰到的问题会慢慢解决的，有待时 日，究竟多少年很难预测这个东西，
