近日，在Micro-LED 顯示高峰論壇上，來自中國科學院院士，南京大學電子科學與工程學院鄭有炓教授應邀出席論壇，并發表了題為：《Micro-LED顯示面臨的機遇與挑戰》的精彩演講。

 

　　以下是演講實錄：

 

　　鄭有炓：各位領導、各位專家、各位同仁早上好，很榮幸應會務組的邀請，有機會來參加今天這樣一個，應該說是顯示領域的發展帶有里程碑意義的研討會。我在這個會上作一個發言，我匯報的題目就是《Micro-LED顯示面臨的機遇與挑戰》，我起這個題目就是談談自己的一些看法。我在準備過程的報告當中，得到了我們實驗室教授的支持和幫助，從LED顯示角度來講：Micro-LED應該說是LED顯示技術發展的必然趨勢，必然要走這一步，從最早的第一代顯示開始已經進入到第二代小間距顯示，小間距顯示再走下去顯然是更小的間距，那就是Micro-LED，從LED顯示角度來講這是必然要走的，問題是什么時候進入到第三代，第三代怎么樣定義它，究竟什么尺寸，是多大的維度？所以從半導體技術來講，Micro-LED是以微米量級LED作為像素元，按微米量級周期在CMOS驅動的TFT基板上組裝成的超高像素密度LED平面顯示技術。沒有什么新的概念，就像集成電路從小規模到大規模再到超大規模一樣，我們怎么樣認識Micro-LED呢？我想講三個問題，同時解釋我的一些看法。

 

　　首先看發展機遇與挑戰的分析，先談一下它的發展概況。Micro-LED這個顯示技術的發展，算起來已經有17年的歷史，以下簡稱“MLD技術”，這個技術經過17年的發展，分了以下三個階段：第一個階段是概念的提出與原型驗證，回歸2001年，姜教授等人研制了微尺寸的III族氮化物藍色LED微顯示器。2009年，香港科技大學Z. J. Liu所在團隊利用UV Micro-LED陣列激發紅綠藍三色熒光粉，得到了全彩色的微LED 顯示芯片。然后是概念的驗證，MLD朝實用化技術開發，在這個階段里面不斷取得了重要性的成果，而且SONY公司推出了第一個MLD產品原型，就是大尺寸的顯示屏，計劃明年還要推出新的產品出來，這是顯示界制造業開始進入，往產品方向發展，而且做出了產品樣品。這個階段差不多四五年時間里面，主要的進展揭示了MLD的技術有超越的性能，它本身是自發光體系，具有功耗低、亮度高、超高的解析度與色彩飽和度，響應速度更快、使用壽命長、效率較高等特點，引起了業界的高度重視。特別是下面三點，在功耗上它是LCD的10%，是OLED的50%，它亮度比OLED高30倍，解析度可以達到超過1500PPI，這三個特點是目前從顯示技術來看很高的水平。比如與液晶LCD相比有這些區別，最主要的一點是功耗低，只有LCD的10%，跟OLED相比的話，它也有七個特點，它功耗是OLED的50%，但亮度比OLED高30倍。所以說OLED在某些領域，在前面兩個指標有困難的情況之下，Micro-LED就可以進入這個領域。

 

　　由于這些性能的挖掘，MLD的確有非常優越的性能，所以引起了業界巨頭的投入，名牌企業積極跟上。為什么這么多企業搞這么手段來做這個技術？我想他的意圖是多方面的，最起碼一點意識到這個技術是有價值的，是有用的，有特色的，否則他不會做這些商業手段來投資和輸入。這樣一來就引起國際上的振動，比如說谷歌公司投資瑞典Glo開發移動終端產品，還有Facebook的VR企業部門收購了InfiniLED公司等等。這樣一個情況就引發了MLD的開發浪潮，為什么今天的會議這么多人，其實還有更多人，大家都很關心，不光顯示界，投資界、金融界都關心；我舉一些例子，這是一些進展，臺灣工研院準備建立一條Micro-LED試生產線，明年做出VR產品交付生產，這是很有勇氣的計劃。另外臺灣錼創今年完成了一種RGB顏色的Micro-LED晶圓的開發。我們實驗室也開展了研究工作，在2英寸藍寶石襯底上可制備12個320乘256Micro-LED顯示陣列，經篩選后，面陣內像素成品率可達100%。

 

　　前面講了概況，下面講一下發展的機遇，MLD技術經過十多年的發展，已經取得了一定的進展，特別是驗證了它的優越性，在業界引起了很大的振動，引發了包括LED、LCD、OLED的顯示界以及IT、AI業界國際巨頭的關心和期待，為MLD技術帶來了很好的發展機遇。第二點隨著互聯網、物聯網、人工智能、智能制造和智慧社會的發展，對顯示技術不斷提出新的要求，就要發展包括攜帶式、VR、AR在內的各種智能移動終端的高品質顯示，也需要發展低功耗高分辨的大型電視墻、商用拼接顯示屏和公共顯示屏等等，隨著目前信息產品發展，急需要發展新的技術，我們認為這是很好的機遇。第三個機遇是現有的LCD和OLED顯示技術都面臨若干新的挑戰，比如說LCD在大型電視墻，甚至55寸以上電視機成本都非常高，還有OLED技術對抬頭顯示、全太陽光環境顯示是不行的，雖然OLED生產很好，但在特殊情況下它的發展遇到了瓶頸。第四個機遇，是LED顯示界開拓新應用新市場。怎么樣走呢？主要是像素的大小和像素的周期，改變像素間距和周期可以從大屏幕向小屏幕發展減小像素間距可提高分辨力和縮短觀看距離，小的LED可以走向主流的市場，對MLD顯示來說正好抓住了機遇。

 

　　前面分析了四個機遇，也引起了大家的關心，都在討論要不要介入進去，各有各的不同意見，但是這樣的技術還面臨很多挑戰，Micro-LED從技術上來講主要是三大塊，第一塊是將Micro-LED管芯轉移到電流驅動的TFT背板上，按微米級周期組裝構成高密度級兩維陣列結構。第二個微米級的管芯首先要求要高品質的，而且要RGB三基色LED構成像素光源，最大的挑戰就在于兩個，一個是像素的光源，第二個是怎么樣組裝，其他問題都好辦。下面關于巨量轉移技術，主要是大量的管芯要轉移，比如說6毫米間距，它包含三萬個像素，如果乘3的話，就是9萬多TFT，第二代進入小間距以后，1.2毫米的話，一平方米大概包括60萬個像素，再乘3差不多200萬個管芯，如果再往更小的發展，就是成千上百萬的管芯轉移，這對集成電路技術來講不在話下，這是把分類器件分層化，這在功能上是一個難點。所謂轉移就是如何實現高時效、高良品率轉移數百萬LED管芯到驅動電路基板上，比如說臺灣工研院的從單個轉移進而發展“陣列單元”轉移技術，5050(2500顆LED管芯）；100100（1萬顆）。第二個是對產業化良品率至少要達到5個標準差，比如說工業制程6個標準差（6σ）是指生產的產品必需有 99.99966%的產品沒有問題，相當于一百萬個中有3、4個有缺陷。這里面要求很高，要實現高良品率的話需要智能轉移技術。

 

　　第二個挑戰是三基色Micro-LED的像素光源問題，按照目前三基色藍光、綠光要GaN，但目前GaAsP的紅光LED光效較低，那如何提高亮度呢？還有怎么樣解決紅光效率問題，可喜的是最近紅光效率做的不錯，但是還有差距。另外問題在這邊，寬禁帶GaN-LED、窄禁帶GaAsP-LED光電性能差異，如電流工作條件，發光波長溫度漂移，工作壽命等，兩種不同材料在不同條件下工作，要解決兩種材料像素源的溫度穩定性問題。

 

　　第三個問題就是三基色Micro-LED的像素組裝尺寸微米化受限，很難實現超高密度封裝技術，超高密度是今后人工智能發展重要的方向，像素光源就碰到這些問題，前面轉移應該是工程界問題，這個是基本的問題，牽扯到半導體的基本問題在里頭，但是我想還是可以慢慢克服的。如果發展成單片式的，怎么設置RGB呢？又是新的問題了，目前在研究界里面做出探索什么新技術呢？像素光源新技術，怎么樣能夠實現很好的RGB三基色。比如一個就是波長變換技術，用Micro-LED藍光作為一個激發源，來激發一個發光層材料，用半導體領域里面最熱門的材料二位晶體，比如說二硫化物等等，它能夠吸收藍光，下轉紅光發綠光，這樣一來Micro-LED只做藍光LED，那是很簡單的事情，發光由二位晶體波長變換，這樣就變得很簡單。這是我們實驗室做的結果，在二氧化硅處理上長了單晶MoS2，具有很好的均一性，藍光激發MoS2薄膜發射純正紅光，這個探討也蠻多的，這樣可以解決很多問題，可以得到很好的RGB三個基色。

 

　　還有就是納米柱RGB像素光源，如果Micro-LED尺寸小了，那面板上不去的，而且一損壞了就缺了一大面，就把LED做成柱狀的，這個美國的公司也在做了，整個柱狀的發光面可以做的細小，還可以有足夠的亮度。這是我們實驗室劉斌教授做的，用納米柱，用不同直徑根據量子效應調整到這個柱子發紅光，那個柱子發綠光，就解決了不要兩種材料，一種材料就可以做出三種顏色出來，納米柱的應用從微量子技術來講還是比較方便的，如果有興趣的話可以和劉斌教授討論，他今天也來參會的。這個是量子點混合結構LED，這個工作的論文都發表了。第三個是用量子點LED的RGB像素光源，就是量子點材料作為發光層，底下是藍光LED，上面那一層是量子點材料，量子點是用無機材料，比如說鋅、鉻、錫、硫等等，這個技術比較成熟，量子點材料什么特點呢？它對吸收光強吸收，吸收很高，這樣藍光的LED發光就降低了，還沒有自吸收的現象，這樣發光效率更高，可以降低藍光功耗，目前從理論上看比較理想的，高效率、高出光效率，而且可以降低激發源的功率。這個大家知道是量子點TV，用這個作為MLD的背光，原來背光要通過好多層來處理，得到一個顏色出來，現在直接用顏色背光，從背光到有用的光有效率不到10%，一般到6%到8%，如果這樣的話效率就高了，所以量子點的TV是TV的最終產品，而且成本便宜、工藝簡單了，而且亮度很純，三個純的RGB顏色可以合成任何顏色，目前好多市場已經推出來了，包括國內幾個公司也推出來了。第四個就是LED芯片尺寸問題，現在做的是橫向尺寸，電流橫向流，電流密度不均勻發熱，以后要做垂直性的LED，這樣電流是垂直流動的，電流是均勻分布的，發光面有效增加面積，要做垂直性的要用GaN襯底來做，這個工作國際上也在探討當中，垂直LED的結構化對縮小像素面積是非常有利的。這也是我們實驗室做的氫化物氣相外延和GaN襯底材料，現在可以做到6英寸，將來表面拋光好就可以做Micro-LED。

 

　　前面我分析了一下目前Micro-LED面臨的機遇和挑戰，根據目前的機遇和挑戰我提出底下幾個看法，這個看法不一定正確，供大家討論，我想這個會議應該是百家爭鳴，是討論的會議，大家可以批評指正。第一個我想MLD是一項很有價值的新一代顯示技術，先肯定它這是非常有價值的技術，為什么呢？因為它具有獨特的優越性能，另外它可以滿足新一代信息技術設備發展的迫切需求，目前這個發展技術不存在不可超越的科技問題，基本上是工程問題為主，另外這個技術還可以繼承LCD和OLED發展起來的成熟技術，目前面臨的主要問題還是工程問題，工程問題在目前這樣往智能制造發展的社會上總會很好解決的，成本問題是新技術必然要走的一條路，只要它不是一個科學的限制問題，我想工程問題會慢慢解決的，遲早會見效的，現在看難度毫無疑問是成本，但十年以后、五年以后這個問題會慢慢降低，任何一個新技術發展都要走一個過程，它的價值是肯定的，它碰到的問題會慢慢解決的，有待時日，究竟多少年很難預測這個東西，什么叫產品化？什么是小規模、大規模？可能三五年之內會慢慢進入市場，從低標準的進入到高標準，從少量慢慢到大量，按照目前的發展勢頭，這個技術不會半路丟掉的，總會慢慢進展的。

 

　　第二點就是目前看來MLD發展的趨勢，是像素尺寸和周期會隨應用目標而變化，這個變化可能從幾百微米至微米量級的寬松范圍，MLD的定義不要從學術上來定義，要根據需要定義，首先是一大一小，目前看來一大主要是用在大的電視屏幕，小是分辨率高的、功耗低、亮度高的高檔消費類便攜式產品的AR、VR、Watch，要根據企業的特點來選擇做大還是做小，首先要選準目標導向。第二個是一高一低，不同的目標要求不一樣，要根據需求去定義，比如人的眼睛1米距離分辨率是0.291毫米，對于大屏幕來講不要再做小，再做小沒有意思，在大屏幕就可以做低密度的。小尺寸就必須要追求高像素密度，比如說一個智能手表要很精細的顯示，那就不一樣了。從發展趨勢來講，小尺寸的顯示屏可能要發展單片式的Micro-LED技術，單片式的要解決RGB三個顏色的像素源，目前只能走量子點的道路，用藍光LED來激發量子點，這樣就可以實現單片的高像素密度的小尺寸應用，這就是一高一低。所以說我的觀點認為，目前發展Micro-LED，不是一個標準一把尺寸，一定要做到5個微米，或者10個微米，要根據市場需求和目標導向，這樣一做出來的話，發展途徑就更寬松一點了，它也沒有那么的嚴格了。我的看法就是Micro-LED的發展要按實際需求，有很大的寬松度，從幾百個微米到幾個微米都可以，你水平不高就做大的，你水平高就做小的，如果水平夠好兩個都做也是可以的。

 

　　關于Micro-LED對于顯示界的沖擊問題議論也很大，依目前的情況來看，MLD進入顯示界不具明顯的顛覆性，但將會形成MLD、LCD、OLED三者優勢互補的新格局，對LCD來講，大尺寸的正好是LCD發展的瓶頸問題，對中等尺寸問題，我剛剛講用量子點的RGB背光來支撐，就可以提高它的性能。這是LCD的顯示技術，第一代是半導體材料，第二代是用LED背光LCD顯示屏，至少節省40%，在臺后為LCD技術做貢獻。對于OLED的問題比較復雜，OLED目前在有些場景是受到技術瓶頸的，比如在太陽光底下，OLED就看不清楚了，比如說抬頭顯示也不行的，比如說AR技術也是不行的，這些技術要讓位于MLD技術，這是OLED本質上無法實現的，關鍵很大的一塊是手機面板，這一塊是OLED占主導的，所以OLED現在正是紅的時候，但MLD比較成熟以后，會不會去掉這道黑墻呢，成本低就會進去了，人工智能化以后，手機面板不僅僅給你看，而且作為一個人的面板跟你互動，面板不僅僅裝像素源和發光體，而要裝各種傳感器，比如說我的手機面板里面做大一點，空檔的地方可以做各種紫外、紅外傳感器，這樣面板又變成新的功能了，再發展起來就很難說了，所以我們現在對信息產品不要預期太長時間，在近幾年內手機毫無疑問OLED是沒有問題的，隨著MLD的出現有可能打破這個界限進入，會做出人工智能手機。

 

　　第四點，中國作為一個顯示大國，又是信息技術發展很快的一個大國，而且又有巨大的市場，應該從戰略的眼光搶占Micro-LED顯示的這一高地，現在有三五年的時間，真好是我們可以趕超的時間，這是一個創新的周期，必須要政產學研用相結合，沒有政府支持不可能發展起來的，另外，現在都是用戶來帶動的，沒有用戶會走彎路，兩頭非常重要，一個“政”一個“用”要結合起來，首先用戶結合起來大家有什么目標，然后政府給政策給支持，真正搞下來產學研，這里面有工程問題、有科學問題、有技術問題，真正需要的是人、錢、時，沒有人不行，這是毫無疑問的，沒有錢、沒有資金也是不行的，另外這是一個新興事物，要給它時間，所以人、錢、時這三個都是需要的。

 

　　上面我提的這四個看法供大家討論批評，非常粗淺，這個會就是百家爭鳴討論的，討論清楚以后我們該怎么走就怎么走，我的發言就到此為止，謝謝大家。