《Micro-LED顯示技術(shù)》
田朋飛 著
上海交通大學(xué)出版社
光電顯示是人機(jī)交換信息的窗口，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、計算機(jī)、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實等領(lǐng)域。基于第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵的Micro-LED 新型顯示具有高發(fā)光效率、高亮度、響應(yīng)時間短和可靠性好的優(yōu)良特性，被行業(yè)譽為繼LCD和OLED顯示的下一代顯示技術(shù)。近年來，Micro-LED 顯示成為一個熱門的研究方向，受到了國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。氮化鎵基LED照明技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了LED外延、芯片工藝、封裝技術(shù)的突飛猛進(jìn)，這也有助于LED技術(shù)的進(jìn)步，然而Micro-LED 在外延生長、芯片制備、封裝、應(yīng)用技術(shù)層面與照明LED技術(shù)具有本質(zhì)的不同，需要從各個層面全方位地突破Micro-LED顯示技術(shù)，來實現(xiàn)Micro-LED顯示的大規(guī)模商業(yè)化。并且，Micro-LED 除了顯示功能外，還在可見光通信、光電鑷子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。目前，Micro-LED技術(shù)是國際競爭關(guān)鍵科技焦點之一。但是過去幾十年，在半導(dǎo)體顯示方面的核心技術(shù)一直處于日韓等企業(yè)的壟斷局面， micro-LED顯示關(guān)鍵半導(dǎo)體材料是用的氮化鎵，屬于第三代半導(dǎo)體（也稱為寬禁帶半導(dǎo)體），不管從材料、制造以及裝備，中國半導(dǎo)體顯示行業(yè)都遭遇了外部的強(qiáng)大壓力，為了解決半導(dǎo)體顯示“卡脖子”問題，中國也在“十四五”規(guī)劃中大力投入對Micro-LED技術(shù)的研究，中央和地方政府也密集出臺政策支持新型顯示核心技術(shù)的發(fā)展。上海交通大學(xué)出版社重磅推出《Micro-LED顯示技術(shù)》一書，精彩內(nèi)容一睹為快！
Micro-LED顯示技術(shù)——政策導(dǎo)向
※2021年3月13日，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)布，其中“集成電路”領(lǐng)域，特別提出碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體也就是行業(yè)人士關(guān)注的第三代半導(dǎo)體要取得發(fā)展。micro-LED顯示關(guān)鍵半導(dǎo)體材料是用的氮化鎵，屬于第三代半導(dǎo)體（也稱為寬禁帶半導(dǎo)體）。
※2021年5月13日，國家重點研發(fā)計劃啟動實施“新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料”重點專項。本重點專項總體目標(biāo)是：面向國家產(chǎn)業(yè)安全、戰(zhàn)略產(chǎn)品及重大工程建設(shè)需求，以滿足關(guān)鍵領(lǐng)域重點電子材料急需為目標(biāo)，突破新型顯示產(chǎn)業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵核心技術(shù)，打通創(chuàng)新鏈，突破戰(zhàn)略性電子材料制備與應(yīng)用各環(huán)節(jié)的共性關(guān)鍵技術(shù)，保障我國信息、能源、交通、高端裝備等領(lǐng)域核心電子材料和器件的自主供給。
※2021年7月6日，福建省政府發(fā)布《福建省“十四五”制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展專項規(guī)劃》，著力攻克OLED蒸鍍工藝、彩色電子紙、Mini/Micro LED等一批關(guān)鍵技術(shù)，加快3D顯示、激光顯示等新型顯示技術(shù)研發(fā)布局。
2021年7月21日，上海市人民政府辦公廳于印發(fā)《上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，新型顯示方面重點加大在AMOLED微顯示、量子點等新技術(shù)領(lǐng)域上的布局。
2021年8月3日, 重慶市政府印發(fā)《重慶市制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展“十四五”規(guī)劃（2021—2025年）》（以下簡稱《規(guī)劃》）。《規(guī)劃》指出，重慶市將重點建設(shè)一批具有全國影響力的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群，涉及新一代信息技術(shù)、新能源及智能網(wǎng)聯(lián)汽車、高端裝備、新材料、生物技術(shù)和綠色環(huán)保6類產(chǎn)業(yè)。其中，新一代信息技術(shù)包括半導(dǎo)體、新型顯示、新型智能終端、先進(jìn)傳感器及智能儀器儀表、新型電子元器件及軟件。新型顯示方面重點發(fā)展AMOLED、micro-LED等面板、模組及顯示終端；基板玻璃、蓋板玻璃等材料；激光顯示、激光電視；4K/8K超高清電視內(nèi)容。
2021年8月9日，廣東省人民政府印發(fā)《廣東省制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展“十四五”規(guī)劃》。規(guī)劃涉及三大發(fā)展方向，一是謀劃發(fā)展十大戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)：新一代電子信息、綠色石化、智能家電、汽車、先進(jìn)材料、現(xiàn)代輕工紡織、軟件與信息服務(wù)、超高清視頻顯示、生物醫(yī)藥與健康、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與食品。其中，在十大戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)中，智能家電和超高清視頻顯示與LED照明和顯示行業(yè)息息相關(guān)。規(guī)劃顯示，加快突破超高清視頻 SoC (系統(tǒng)級) 芯片、數(shù)據(jù)傳輸芯片、高端CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體) 圖像傳感器芯片等核心零部件。重點支持發(fā)展OLED、AMOLED、Micro-LED、QLED、印刷顯示、量子點、柔性顯示、石墨烯顯示等新型顯示技術(shù)。
《Micro-LED顯示技術(shù)》獨家解讀
亮點一：助力未來顛覆性顯示技術(shù)創(chuàng)新
Micro-LED顯示技術(shù)作為下一代新型顯示技術(shù)，將引領(lǐng)顯示技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。本書從Micro-LED顯示的現(xiàn)狀、歷史和發(fā)展趨勢以及Micro-LED器件的關(guān)鍵制備技術(shù)等方面對這種新型的顯示技術(shù)做了較全面的論述。重點梳理了Micro-LED的尺寸效應(yīng)、溫度效應(yīng)、光譜特性、光提取效率、光電響應(yīng)、可靠性等基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究，詳細(xì)深入論述了顯示驅(qū)動、全彩色顯示技術(shù)的重要進(jìn)展，系統(tǒng)介紹了Micro-LED在可見光通信、無掩模直寫、泵浦有機(jī)激光器、熒光壽命探測、光電鑷子、光遺傳學(xué)等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。
亮點二：推動Micro-LED顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
新型顯示產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)，本書結(jié)合Micro-LED顯示技術(shù)的性能特點、制造工藝流程和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，分析了外延生長技術(shù)、芯片工藝流程、襯底剝離、鍵合、巨量轉(zhuǎn)移、顏色轉(zhuǎn)換、顯示驅(qū)動等技術(shù)。通過顯示產(chǎn)業(yè)材料、工藝設(shè)備、芯片制造、終端應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈的上下游協(xié)同創(chuàng)新，快速突破 Micro-LED 量化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，將提升 Micro-LED 的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)能力，帶來新一輪顯示技術(shù)升級換代。
亮點三：探索Micro-LED前沿研究進(jìn)展
隨著micro-LED技術(shù)的發(fā)展，在未來的智能社會里，micro-LED將不僅僅局限于顯示應(yīng)用，其還將與光通信、醫(yī)療探測、智能車燈等應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)合，成為變革性的下一代顯示技術(shù)。本書論述了micro-LED顯示與可見光通信集成的智能micro-LED顯示系統(tǒng)、micro-LED用于光電探測器和無線充電的新型系統(tǒng)，以及應(yīng)用于無掩模光刻、泵浦有機(jī)激光器、熒光壽命探測、光電鑷子、生物醫(yī)學(xué)的前沿進(jìn)展。
序 言
信息、能源與材料技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代人類文明的重要支柱。隨著人工智能在現(xiàn)代社會的應(yīng)用和發(fā)展，信息的獲取、存儲、傳遞、處理、輸出日益重要，人類需要在人機(jī)界面中獲得聲音、圖像、視頻等信息，其中視覺信息是人類獲取外部世界信息的主要方式，因此，信息顯示技術(shù)成為國際上競爭激烈的關(guān)鍵技術(shù)。從材料發(fā)展的角度來看，第三代半導(dǎo)體材料對顯示技術(shù)的發(fā)展影響重大，氮化鎵基高效率白光發(fā)光二極管（ LED）作為背光源，促進(jìn)了液晶顯示器（LCD）的發(fā)展，大屏幕 LED 顯示屏也使用了氮化鎵基 LED作為顯示屏的像素點，micro-LED顯示更是得益于高效率半導(dǎo)體發(fā)光材料和器件技術(shù)的發(fā)展。Micro-LED 顯示涉及信息顯示、第三代半導(dǎo)體等多個領(lǐng)域，其具有產(chǎn)業(yè)鏈長、門檻高、挑戰(zhàn)性大的特點，micro-LED 顯示技術(shù)的商業(yè)化對我國掌握顯示領(lǐng)域核心技術(shù)將起到重要作用。
目前，LCD和有機(jī)電致發(fā)光顯示器（OLED）占據(jù)市場主導(dǎo)地位，它們主要應(yīng)用于手機(jī)、電視、計算機(jī)等領(lǐng)域，但是人們對顯示器性能的追求是無止境的，尤其是近年來虛擬現(xiàn)實（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（ AR）、超大屏幕顯示等應(yīng)用對顯示器性能提出了更高的要求，我們需要發(fā)展更高性能的顯示技術(shù)。另外，超大尺寸小間距 LED 顯示也在向具有更小間距的 mini-LED 顯示以及micro-LED 顯示發(fā)展，傳統(tǒng) LED 照明行業(yè)的高速發(fā)展也有助于micro-LED效率的大幅度提高，這些都促使micro-LED顯示進(jìn)入人們的視野。Micro-LED 顯示的效率、亮度、響應(yīng)時間、可靠性都優(yōu)于 LCD和 OLED 顯示技術(shù)，成為下一代顯示技術(shù)的優(yōu)先選擇。Micro-LED 顯示技術(shù)在國際上已經(jīng)有 20年的發(fā)展歷程，在國內(nèi)的發(fā)展相對較晚，近五年來其逐步引起國內(nèi)外研究者的高度重視，大量的研究機(jī)構(gòu)和公司投入巨資研發(fā) micro-LED顯示技術(shù)，隨著技術(shù)的成熟、規(guī)模化的生產(chǎn)、成本的降低，micro-LED 顯示技術(shù)必將很快成為顯示技術(shù)市場的重要組成部分。
該書的作者十余年來一直在 micro-LED技術(shù)領(lǐng)域工作，在micro-LED顯示基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域做出了一系列卓有成效的工作，并探索了micro-LED在可見光通信等方面的應(yīng)用，多項成果在國內(nèi)外產(chǎn)生較大影響。作者在本書中融入自身在micro-LED領(lǐng)域鉆研多年所取得的經(jīng)驗和成果，分享從事該領(lǐng)域工作的心得體會。很高興應(yīng)作者邀請為本書作序，也希望作者能夠繼續(xù)在 micro-LED領(lǐng)域精益求精，在未來取得更加豐碩的成果。
目前國內(nèi)還缺乏與 micro-LED 顯示技術(shù)相關(guān)的專著，相信該書的出版不僅有助于激發(fā)該領(lǐng)域研究人員的研發(fā)興趣，而且有利于向大眾普及 micro-LED 顯示相關(guān)知識。衷心希望本書對每一位讀者能有所幫助。
張榮
2021年2月
前 言
光電顯示是人機(jī)交換信息的窗口,廣泛應(yīng)用于手機(jī)，計算機(jī)、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實等領(lǐng)域。基于第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵的 micro-LED 新型顯示具有高發(fā)光效率、高亮度、響應(yīng)時間短和可靠性好的優(yōu)良特性，被行業(yè)譽為繼 LCD和OLED顯示的下一代顯示技術(shù)。近年來，micro-LED顯示成為一個熱門的研究方向，受到了國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。
氮化鎵基 LED 照明技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了LED 外延、芯片工藝、封裝技術(shù)的突飛猛進(jìn)，這也有助于micro-LED技術(shù)的進(jìn)步，然而micro-LED在外延生長、芯片制備、封裝、應(yīng)用技術(shù)層面與照明 LED 技術(shù)具有本質(zhì)的不同，需要從各個層面全方位地突破 micro-LED顯示技術(shù)，來實現(xiàn) micro-LED 顯示的大規(guī)模商業(yè)化。并且，micro-LED除了顯示功能外，還在可見光通信、光電鑷子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。目前，micro-LED技術(shù)是國際競爭關(guān)鍵科技焦點之一，中國也在"十四五"規(guī)劃中大力投入對 micro-LED技術(shù)的研究。
筆者從在英國攻讀博士開始，十余年來致力于 micro-LED技術(shù)的研究，主持和參與micro-LED 顯示、micro-LED可見光通信等多個研究項目。當(dāng)前，筆者深刻感受到國內(nèi) micro-LED技術(shù)領(lǐng)域?qū)W術(shù)專著的缺乏，需要一本專業(yè)書籍幫助研究人員了解該領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識和前沿動態(tài)，因此近年來筆者努力寫作一本能夠系統(tǒng)深入闡明micro-LED基礎(chǔ)科學(xué)問題、剖析關(guān)鍵技術(shù) 、總結(jié)前沿進(jìn)展的書籍。
本書主要結(jié)合筆者在micro-LED領(lǐng)域長期的研究成果，也整理、歸納了國內(nèi)外同行的優(yōu)秀成果，系統(tǒng)介紹了micro-LED的關(guān)鍵技術(shù)。首先概括當(dāng)前 micro-LED顯示的現(xiàn)狀、歷史和發(fā)展趨勢，描述 micro-LED器件的關(guān)鍵制備技術(shù)，然后詳細(xì)闡述micro-LED的尺寸效應(yīng)、溫度效應(yīng)、光譜特性、光提取效率、光電響應(yīng)、可靠性等基礎(chǔ)科學(xué)問題，詳細(xì)深入論述了顯示驅(qū)動、全彩色顯示技術(shù)的重要進(jìn)展，也介紹了 micro-LED在可見光通信、無掩模直寫、泵浦有機(jī)激光器、熒光壽命探測、光電鑷子、光遺傳學(xué)等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。本書可供在相關(guān)領(lǐng)域從事教學(xué)和科研的工作者作為參考書，也可供對該領(lǐng)域感興趣的讀者參考。
筆者所在課題組多位老師和研究生在本書的編寫過程中貢獻(xiàn)了自己優(yōu)秀的研究成果，袁澤興、朱世杰、林潤澤、單心怡、汪舟、錢澤淵等在協(xié)助本書的資料整理、文字校對方面做出了辛勤的努力。感謝 Martin Dawson、顧而丹教授長期對筆者開展micro-LED前沿研究的幫助和支持。感謝國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市揚帆計劃、復(fù)旦大學(xué)卓越人才計劃等的支持。
衷心希望本書能夠?qū)?micro-LED領(lǐng)域的教學(xué)培訓(xùn)、科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)發(fā)展有所幫助，為 micro-LED技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)微薄之力。由于筆者水平和時間所限，本書難免有不足和疏漏之處，敬請各位專家和讀者批評指正。
田朋飛
2021年1月
作者簡介
田朋飛，長期致力于氮化鎵基micro-LED器件研究，師從micro-LED先驅(qū)愛丁堡皇家學(xué)會院士Martin Dawson，為國內(nèi)最早開展micro-LED研究的科研人員之一，在micro-LED多個方面具有原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。自2007年至今從事micro-LED顯示、可見光通信、水下光通信等方向的研究。在ACS Applied Materials & Interfaces、ACS Photonics、Advanced Optical Materials, Advanced Science、Progress in Quantum Electronics 、Optics Letters, Optics Express、Applied Physics Letters等期刊發(fā)表60余篇SCI論文。以第一和通信作者發(fā)表SCI論文33篇，其中1篇ESI高被引論文、2篇邀請SCI綜述、2篇most popular論文等；發(fā)表會議論文/報告50余篇，其中邀請報告10余次；出版5部專著；授權(quán)發(fā)明專利8項。主持國家重點研發(fā)計劃國合項目、國家自然科學(xué)基金面上項目和青年項目、上海市青年科技英才揚帆計劃、復(fù)旦大學(xué)“卓越2025”人才培育計劃等15項項目。Google Scholar引用1300余次，H因子21。研究成果被Progress in Quantum Electronics期刊、Semiconductor Today、Laser Focus World、國家自然科學(xué)基金委等國內(nèi)外機(jī)構(gòu)報道，被諾貝爾獎得主評價首次系統(tǒng)研究了micro-LED的尺寸效應(yīng)。
