显示技术的未来趋势：Micro-LED（微型发光二极管）向透明、自由形态和近眼显示迈进

摘要

显示器是我们日常生活中最不可或缺的电子设备之一。在过去几十年里，显示技术不断发展，得益于材料、结构和制造工艺的创新，带来了更高的画质、更大的屏幕尺寸、更纤薄的机型和新颖的功能。目前显示市场以液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）为主导，但大量投资和研究正集中在新兴的自发光显示技术上，如微型发光二极管（micro-LED），以及非常规应用，如透明、可变形和近眼显示器。本文综述文章以自发光显示技术的历史背景开篇，并概述有机、量子点、钙钛矿和 Micro-LED 的最新进展。随后，我们批判性地回顾了该技术的现状，包括其尺寸依赖的性能问题、不同类型的质传输技术、背板互连技术、缺陷像素的检测/修复方法，以及新兴的显示应用，包括透明、可变形以及虚拟现实和增强现实（VR/AR）显示。

自发光显示（Evolution of self-emissive display）技术的发展

显示器在现代数字时代发挥着至关重要的作用，通过视觉数据快速高效地传播知识，视觉数据占人类每日收集感官信息的 80%。自 1934 年黑白阴极射线管（CRT）电视商业化以来，显示材料和架构的创新通过提升图像分辨率、对比度、亮度和响应速度，实现了更鲜艳、更逼真的图像。CRT 显示器是最早广泛使用的显示技术，应用于电视、计算机显示器及其他信息传输设备。它们通过将电子束从阴极发射到涂有荧光粉的屏蔽体，这需要笨重的玻璃真空管，导致高功耗（见图1a，左侧）。基于真空的显示技术后来演变为等离子显示面板（PDP），采用了适合更大屏幕尺寸的平面面板设计。然而，PDP 仍面临诸如高功耗、需要冷却风扇以散热、易发生屏幕烧灼以及寿命相对较短等挑战 。

图1. 自发光显示技术的发展：a. CRT 和 LCD 的器件结构，以及从真空显示器向平面显示器过渡的时间线。b. LED 显示器的器件结构与时间线

到了 2000 年代初，液晶显示器（LCD）凭借显著更低的功耗和更轻的重量 ，占据了市场。它们包含一层夹在两片极化基底之间的液晶层（图1a，右侧），在通过薄膜晶体管（TFT））施加电流时，会进行对齐和旋转，从而调制透射光强。由于液晶分子表现为部分有序流体，它们在电场下的重新定向本质上较慢。这导致典型的开关响应时间为 5–25 毫秒。为解决这一限制，开发了先进的驱动技术，如过载和欠冲电压方案，可以将灰到灰的响应时间缩短至约 1 毫秒，平均为 9.10 毫秒。此外，它们的对比度有限，主要原因是背光持续发出残光，无法达到真正的黑色水平。为缓解这一限制，引入了迷你 LED 背光技术，实现精确的局部调光控制，有效抑制暗区残留亮度，并大幅提升 LCD11 的对比度。然而，由于液晶层固有的光泄漏以及无法在像素层完全关闭背光，迷你 LED 背光 LCD 在提供对比度方面仍面临与自发光显示器的根本性限制。

显示技术的一大进步是从基于真空和流体的平台向利用微电子制造工艺的固态器件过渡。自 C.W. Tang 和 VanSlyke 于 1987 年 12 世纪推出首个低压有机发光二极管（OLED）后，OLED 显示器因其卓越的对比度，通过使用可单独控制的自发红、绿、蓝 OLED 像素实现，OLED 显示器在 2000 年代末成为最受欢迎的设备（见图1b）。OLED 显示器比 LCD 更薄更轻，因为它们采用了有机半导体的薄层，不需要单独的背光单元。量子点发光二极管（QLED）显示器是另一种于 2015 年首次推出的固态 LED 显示屏。尽管名称如此，QLED 显示器本质上仍是使用量子点（QD）作为色彩转换器的 LCD。然而，这种方法相比配备彩色滤镜的传统液晶显示器，提高了色彩准确性和亮度。尽管如此，OLED 和 QLED 显示技术存在若干局限性：OLED 寿命相对较短，易受高温和湿度影响，且最大亮度有限（<4000 尼特），而 QLED 显示器则天生对比度较低。

为了克服这些限制，显示界一直在寻找下一代显示技术，目前最著名的是 Micro-LED（微型发光二极管）。Jiang等人首次展示了具备被动矩阵寻址能力的微发光二极管阵列，为自发光微显示器 20 奠定了基础。 Micro-LED 由无机基自发的红、绿、蓝 LED 组成，具有微尺度尺寸，相比 OLED 和 QLED 显示器，具有更高的亮度、更低的功耗、更快的响应速度、更优的耐用性和更长的寿命。 Micro-LED显示器于 2010 年代初开始商业化，但由于制造成本高昂，至今价格仍然非常昂贵，这主要归因于在显示面板上组装红、绿、蓝微 LED 芯片所需的质量传输技术尚未成熟。量子点和钙钛矿也被探索为发射材料，但其开发不如 Micro-LED  成功。我们将在接下来的部分总结正在使用或开发中的展示材料的独特特性和制造工艺。

显示材料、结构与制造工艺

目前在显示应用中被广泛研究的四种自发光材料包括 OLEDs、QD、钙钙矿和微型 LED。量子点在商用 QLED 显示器中用作色彩转换器，但也可以作为直接发射器（以下称为“QD-LED”）。OLED、QD-LED 和钙钛矿 LED 的基本架构几乎相同，由 n 型电子注入层和 p 型空穴注入层组成，但在发射层组成上有所不同（见图。相比之下，微发光二极管 LED 拥有更复杂的发射层结构，包括多量子阱（MQW）结构（见图2c）。以下将讨论四种自发光显示器的独特材料性质、器件构造及制造工艺。

图 2. LED 的自发光材料：a. 用于 OLED、基于量子点的 LED 和 PeLED 的结构和发射材料。b. 发射材料沉积方法：有机材料、量子点、钙钛矿和无机化合物半导体。c. 微发光二极管 LED 的代表性结构

OLED 是当今移动设备中最广泛使用的显示材料，由有机基发射层和电荷传输层组成，这些传输层通过物理气相沉积技术获得，如热蒸发和溅射（见图2a, b, i）。施加电压后，电子和空穴均注入发射层，产生具有特定波长的电致发光，取决于发射层的组成。OLED 的发射材料随着时间演变，从早期的荧光 OLED 发展到现今使用的荧光 OLED 和热激活延迟荧光（TADF）OLEDs。磷光和 TADF 的 OLED 除了单重态激子外，还能利用三重态激子，使其实现理论上的内部量子效率（IQEs）达到 100%。这得益于采用主客体系统（Host-guest system），即在定义最高占用分子轨道（HOMO）和最低未占领分子轨道（LUMO）能级的“宿主”材料中掺杂少量不同能级的“客体”材料。这种方法促进了激子的高效转移和光发射。

OLED 显示器相比 LCD 有多项优势，其中最重要的是能够实现完美的黑色位准和几乎无限的对比度，这得益于可单独开关的自发 RGB 子像素。它们还具有更宽的视角、更薄的厚度和更快的响应时间。然而，OLED 面临诸如易受潮和热、电化学反应导致材料劣化、热机械故障 以及激子淬熄等挑战。此外，用于并排排列 RGB 子像素的细金属掩膜（FMM），通常由 Invar 合金（FeNi36）制成，带来了重大制造挑战。具体来说，为了实现更细微的图案分辨率而对 FMM 进行细化，常常会导致机械下垂，从而阻碍大面积加工并使精确机械对准变得复杂。此外，提升蓝色 OLED 的效率和寿命仍是关键挑战，因为现有蓝色 OLED 在 1000 尼特下表现出有限的外部量子效率（EQEs;<25%）和短寿命（<500 小时）。最后，OLED 显示器的中等亮度（~10³尼特）降低了它们在高环境光强度下的可见度，限制了它们在增强现实显示器中的应用。

量子点（QDs）是由无机半导体芯、更宽的带隙壳层和有机钝化配体层组成的半导体纳米颗粒，通常通过胶体方法合成。由于受控的单色散性和卓越的物理特性，量子点在整个可见光谱中具有精确可调的发射波长，发射线宽较窄，具有高光致发光量子产额（PLQY）。基于量子点的色彩转换器展现出高的色彩纯度和亮度，使 QLED 显示器在使用色滤镜的液晶显示器上拥有更优越的图像质量和显示性能。还有努力将其与单色（通常是蓝色）微发光二极管  显示器集成，以实现全彩显示。基于量子点的彩色转换器图案化的传统方法包括利用提取工艺进行光学光刻、使用数字控制喷嘴 进行喷墨打印，以及使用基于 PDMS 的弹性体印章进行转印印刷。

使用量子点作为直接发射材料的量子点 LED 因其高等离子电子（分别为红、绿、蓝发射 38.2%、29.2%和 23%）而展现出未来显示技术的潜力，但其主要局限性包括稳定性和可靠性较低。QD-LED 通常采用混合异质结结构，由无机 n 型纳米颗粒层和有机 p 型空穴传输（或注入）层组成，这些层通过基于溶液的薄膜铸造技术制造，如离心涂层、喷墨打印、医生刀片和喷涂（见图2a, b, ii）。混合 p–n 异样结常因激子淬火、非辐射复合（例如：俄歇复合）和焦耳热而受性能限制，这些都源于电荷载流子平衡不佳及暴露于湿度/氧气下的缺陷。此外，实现大面积高分辨率的 QD-LED 显示屏还受限于基于溶液的自旋铸造工艺本身的均匀性、重复性和可扩展性。

钙钛矿 LED（PeLEDs）由金属卤化物钙钛矿（MHPs）组成，其 A、B 和 X 位点位于 ABX 钙钛矿晶体结构中，由铵（Cs+）、甲基铵（MA+）或甲胺（FA⁺）占据;Pb2+ 或 Sn2+;以及分别为 Cl−、Br− 或 I−（见图2a）。该晶体结构与微 LED 的双异质结构（DH）或量子核（QW）相似，使 PeLED 能够具有较小的 FWHM 和高色彩纯度，并根据 ABX3 的成分调节发光颜色。通过调整钙钛矿纳米晶体（NCs）的类型和尺寸，可以轻松调节 PeLED 的带隙和发射波长。由于采用基于解决方案的制造工艺，PeLED 的制造成本也较低（见图2b, ii）。 PeLED 的等电质量多年来显著提升，分别在红、绿、蓝 LED 上达到 28.7%、29.5% 和 23.5%。然而，其局限性包括对焦耳加热  的脆弱性、均匀性差的以及基于铅的钙钛矿的毒性。一项最新研究报告称，经过溶液处理的 PeLED 即使像素尺寸低于 100 纳米，且像素密度达到前所未有的 127,000 像素每英寸（ppi），仍保持较高的外量子效率（EQE）。

Micro-LED 是下一代高性能显示应用中最有前景的选择。其由尺寸低于 100 微米的无机半导体 p–n 结二极管，主要由 III–V（如 AlGaInP/GaAs）和 III–N（如 InGaN/GaN）化合物异质结构组成，分别用于红光和绿蓝发射。Micro-LED 通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）工艺外延生长，通过受控注入前驱气体实现高温下均匀的薄膜沉积（见图2b,iii）。LED 的活性区域由多重量子阱（MQW）组成，这些层交替存在具有不同能隙的半导体层，有效限制电子和空穴（见图2c）。施加电压后，注入的电子和空穴在 MQW 内高效复合，发射波长由 MQWs 的组成和厚度决定的光子。这种强载流子约束促进了高效的辐射复合，降低了对外部扰动的敏感度，使 LED 在潮湿/高温环境中能够在亮度、对比度、响应速度、功耗效率、功能寿命和稳定性上优于 OLED、QD-LED 和 PeLEDs，如图中雷达图3a所示。例如，典型蓝色 InGaN LED 的亮度、IQE 和响应速度分别为>200 lm W−1（对应>10^7 尼特）、近 100%和 1–10 纳秒。 然而，目前存在两大技术挑战——尺寸依赖性效率损失和质量传递技术的低成熟度，以下内容将阐述。

图 3.  Micro-LED 中尺寸依赖效率损失：a. Micro-LED 与其他发光二极管 LED 的比较。b. 基于 LED 尺寸的 EQE 劣化。c. 基于 InGaN 和 AlGaInP 的红色 LED 特性。d. 基于 InGaN 和 AlGaInP 红光 LED 尺寸的 EQE 变体。

Micro-LED 的尺寸依赖性效率损失

Micro-LED 随着横向尺寸减小而显著降低功率效率，这成为该技术更广泛应用的主要障碍，尤其是在 Micro-LED显示应用中。在芯片尺寸低于 20 微米时，EQE 因表面缺陷比例增加导致器件侧壁非辐射复合而急剧下降（见图3b）。 这在发红光AlGaInP Micro-LED 尤为明显，这些 LED 表面复合速度更快，载流子扩散长度更长，导致芯片侧壁载流子损耗加剧。因此，基于 InGaN 的蓝光和绿光 Micro-LED 即使在尺寸缩小下仍保持较高的外量子效率（EQE），例如 15 微米芯片尺寸分别为 40%和 30%，而红光 Micro-LED 则降低幅度更为明显（15 微米芯片为 10%）。这促使人们致力于改进器件结构、优化外延生长条件，并探索替代材料系统以实现平衡高效的全彩显示。

一个备受关注的潜在解决方案是基于 InGaN 的红色微型 LED 的开发。与通常生长在 GaAs 基底上的红色 AlGaInP LED 不同，红色 InGaN LED 生长在蓝宝石基板（Sapphire substrates）上，其成分和外延结构与绿色和蓝色 InGaN LED 相似（见图3c）。基于 InGaN 的红色微 LED 对侧壁相关的非辐射复合反应本质上不敏感，使其在更小芯片尺寸下更好地保持 EQE（见图3d）。此外，它们有望实现完全基于 InGaN 的 RGB 微 LED 显示屏，由于结构和工艺（如 MOCVD 生长、芯片单分、基板分离、质量传递、集成/键合、电气互连等）相似，能够降低制造复杂性和成本。然而，实现红光发射所需 MQWs 中均匀高铟含量仍具挑战性，因为这需要较低温度的外延生长，通常会导致晶格错配增加、晶体质量降低以及光效率的降低。

传质（Mass Transfer）技术

Micro-LED 显示技术的另一个重大挑战是传质技术的低成熟度，这对于将制造出来的 RGB micro-LED 芯片与 CMOS 背板集成以实现主动矩阵工作至关重要。传质技术是 Micro-LED 显示器特有的，因为红、绿、蓝三色微 LED 芯片只能在晶格结构相似的单晶晶圆上生产，通常是基于 AlGaInP 的红色 LED 使用 GaAs 晶圆，InGaN 基的绿蓝 LED 则使用蓝宝石晶圆（见图4a）。制造好的芯片随后被选择性转移到目标基板——无论是背板还是临时基板——它们的像素间距比生长基板上更大。这对于降低成本至关重要，因为商用 Micro-LED 电视具有毫米级像素间距，而将微小的 Micro-LED 芯片（<100 微米）分布在更大的间距下，可以减少覆盖同一区域的芯片数量。

图 4. 传质与单体集成技术：a. LED 制造示意图。b. 弹性体印章转印工艺的示意图。c. 激光诱导转移的示意图。d. 流体自组装的示意图。e. RGB LED 层结合（或堆叠）集成的示意图。f. 整体增长的示意图。

尽管采取了多项努力，设备成本高昂、芯片错位或缺失导致像素缺陷比例高，以及严格的质量控制需求，推高了 Micro-LED 显示屏相较于 OLED 和 QLED 显示屏的制造成本。制造显示器所需的芯片数量众多，进一步放大了这一点。一个 4K 分辨率的显示器大约需要 800 万个像素（或 2400 万个 RGB Micro-LED 芯片），这意味着即使缺陷率极低，仅 0.01%，约 2400 个子像素也会有缺陷，需要大量维修。因此，各种质量传递技术正在开发中，目标分别是实现 99.9999%和每小时 1 亿单位的转移良率和速率，以降低制造成本。

本节介绍了四种最广泛研究的传质方法的机制和特性：微转印、激光诱导前转、流体自组装和单片集成。它们的特性和关键参数（芯片大小、传输速率、良率和精度）也总结于表 1。

表1： 各种传质技术的关键参数对比表 

微转印印刷（μTP），也称为“挑选与放置”方法，利用由弹性体（如聚二甲基硅氧烷 PDMS）制成的印章，从生长基底“拾取”Micro-LED 芯片，并将其“放置在”目标基底上精确对齐的位置（见图4b）。这些工艺依赖于粘附力的动力学控制，因为在高速或较低速度下收回印章会分别增加或减少印章与基材之间的范德华力（vdW），这主要归功于弹性体的粘弹性行为。Rogers 等人首次探索了这种方法，用于演示单色 Micro-LED 显示器，而 X-Celeprint 的衍生公司 X Display Company（XDC）最近报告其转印工艺的转印率超过 99.9%。圆柱形弹性体已被用于演示“辊转板”技术，实现硅 TFT 和微 LED 的半连续转移，用于构建单色有源矩阵 Micro-LED 显示器。总体而言，μTP 具备高通量、高良率和多功能性（可用于所有材料，包括 InGaN、AlGaInP 等），但存在产量问题和工艺复杂性。

激光诱导前向传输（LIFT）依赖于激光的受控照射，选择性释放和转移 Micro-LED 芯片。 这始于激光剥离（LLO）工艺，将制造好的 Micro-LED 芯片分离到涂有动态释放层（DRL）的透明临时基板上（见图 4c）。通过临时基板底部的激光照射会使 DRL 汽化，诱导局部膨胀并选择性地将 Micro-LED 芯片转移到目标基板。Uniqarta 引入了大规模并行激光传输（MPLET）技术，利用单一激光源、衍射光学元件和激光扫描仪实现约 100 M 单位/小时的传输速率。LIFT 相较于其他质量传递方法的最大优势是其极高的传输速率，扫描周期速度为 1–10 kHz。目前的限制包括对准精度较低以及 Micro-LED  芯片在相对于芯片尺寸的长距离释放/掉落时机械损坏的风险;设备和运营成本高昂;以及由于激光束宽广的空间轮廓，导致邻近芯片的意外释放。为克服这些限制，原位粘结技术正在与 LIFT 工艺结合开发，提供了一解决途径。

流体自组装（FSA）是指将微型 LED 芯片分散在载流体中，然后由于表面张力和流体动力学，使芯片能够通过专门设计的结合位点自组装到靶基板上（见图4d）。探索了多种 Micro-LED 芯片设计和自组装机制，以提高传输速率和良率。eLux 报告了接触垫对侧带有细圆柱柱的圆盘形状芯片，三星先进技术研究院（SAIT）则展示了表面采用低 vdW 力材料且粗糙度高的芯片，以及在另一侧表面采用高 vdW 力材料且粗糙度低的芯片.LG Electronics 报告了磁力辅助电泳自组装技术（MDSAT），该技术允许红、绿、蓝三色微 LED 芯片同时转移，而 Lee 等人则演示了向载体液中添加 poloxamer 以提高其粘度，从而改善液体到芯片的动量传递以及转移产量。FSA 的主要优势包括高通量和低成本的材料/设备。其局限性包括组装过程中碰撞导致芯片损坏的风险;为提高良率和选择性，尤其是超高分辨率显示器，需要复杂的芯片设计;以及因范德华力或静电力导致芯片的聚集或附着。尽管如此，FSA 作为高通量微 LED 组装的成本效益高且可扩展的解决方案，具有巨大潜力。

单片集成（Monolithic integration），也称为“垂直叠加”方法，涉及将超薄的红、绿、蓝 LED 层垂直堆叠，并通过自上而下制造以获得全彩微型 LED（见图4e,f）。LED 层可以按带隙能量（R-G-B）递增顺序叠加，以减少上层小带隙 LED 发出的光吸收。单片集成在制造像素间距小于10微米的微型显示器方面具有独特优势，原因包括：（i）与传统横向 RGB 像素布局显示器相比，像素密度可提升三倍;（ii）由于高像素密度，mesa 蚀刻过程中去除的 LED 体积最小化，从而降低材料成本。在《2022 年 MicroLED 报告》中，Yole Intelligence 建议，使用 34 微米×58 微米芯片的 8K 显示屏单芯片成本约为 24,000 美元，而垂直堆叠的 5 微米×5 微米尺寸的 RGB 微 LED 芯片成本可降至 130 美元。此外，虽然质量转移技术尚未针对<30 微米芯片尺寸进行优化，但由于传输对象（晶圆尺寸的 LED）体积显著较大且传输频率降低，单片集成可以实现极高的对准精度。转移后，微型 LED 可通过光刻技术与底层 CMOS 电路对准，实现高精度的对准。例如，深紫外（DUV）系统通常提供 3%E50 纳米的叠加精度，这对于制造 5000 ppi 级增强现实显示器所需的 2–3 微米尺寸 LED 来说绰绰有余。

目前实现单片集成的两种方法包括：（i）对每个 RGB LED 层重复三次晶圆键合、起飞和制造步骤，以及（ii）依次外延生长基于 InGaN 的 RGB LED 结构。第一种方法由 Ostendo 演示，他通过叠加、湿刻蚀和 LLO 技术，单体集成基于 AlGaInP 的红光和基于 InGaN 的绿蓝 LED（见图4e）。 Shin 等人报告了采用二维材料层转移（2DLT）技术，将基于 AlGaAs 的红光和 InGaN 的绿蓝 LED 单片集成，该技术通过热释带剥离涂覆二维材料（石墨烯、氮化硼）的晶圆上的 LED 层，104。将每层厚度 1–2 微米的 RGBLED 层与聚酰亚胺键合层堆叠，实现了垂直堆叠串联 LED 结构，总厚度约为 9 微米，占地面积为 4 微米，像素间距为 5 微米，相当于超高分辨率 5100 ppi。Jade Bird Display（JBD）也报道了类似形态的垂直堆叠微 LED 技术，规格为 105。为了完整显示，还需要进一步工作演示垂直 Micro-LED LED 芯片与 CMOS 背板集成以实现有源矩阵作（后续章节将详细讨论）。

单体生长法（The monolithic growth method），即基于 InGaN 的 RGB LED 在单片晶圆上顺序生长，已由显示制造商 Ostendo、Porotech 和 Sundiode/Soft-Epi（见图4f）。虽然该方法制造工艺更简单（无需晶圆键合和起飞步骤），但存在关键局限性，如：（i）无法独立控制 RGB 子像素的颜色和亮度;（ii）基于 InGaN 的红色 LED 固有较低的 EQE，这一问题因连续生长过程中积累的热预算而加剧;以及（iii）由于镁掺杂剂在高序次生长温度下广泛扩散至结点，p 型电极接触电阻较高。还需要进一步努力抑制 Mg 扩散，并确保基于隧道结的垂直堆叠 LED109 的可靠性能。与此同时，纳米线 LED 的单片增长为创建高像素密度的全彩微显示器提供了替代解决方案。其本质上较小的尺寸和几何结构非常适合超高像素密度显示屏，实现了“内置像素冗余”以减少死点。通过对选择性区域生长条件的严格控制，可以在单一基底上单片生长红、绿、蓝的 InGaN/GaN 纳米线 LED，从而简化集成。

背板互连技术

在质量转移过程之后，Micro-LED 必须与显示背板电气互联，该背板由晶体管和电容电路组成，能够控制单个子像素的亮度和开关状态。对于 OLED 显示器来说，这一过程很简单，因为 RGB 子像素可以直接沉积在背板的触点板上。微 LED 显示器需要不同的处理方式，因为无机 LED 的高生长温度可能会损坏 CMOS 电路。目前，大型Micro-LED 显示器采用翻转芯片键合，而微显示器则依赖晶圆键合。另一种方法是生长集成，即 TFT 在 LED 晶圆上生长并整体连接。表 2 提供了这些方法的比较。

表2：背板互连技术关键参数对比基准表

倒装焊接（Flip-chip bonding）是大规模 Micro-LED 显示器采用的方法，因其高通量和低成本。这种技术通常被称为“面朝下”组装，提供易于维修的配置，避免在 LED 芯片顶部布线互连。一个典型的工艺包括将 RGB LED 芯片质量转移到涂有牺牲层的临时基板（即载体基板），使用热蒸汽或电镀技术形成有图案的凸起（铟或金），或施加各向异性导电薄膜（ACF，一种含有导电颗粒嵌入聚合物基体中的复合材料）。 芯片与背板之间的对准和热压缩结合，以及临时基板的移除（见图5a）。翻转芯片键合的一个限制是较大的凸起尺寸（~10 微米）阻碍了高分辨率显示器的制造。一项最新研究显示，通过甲酸回流工艺，使铟凸块在高温下暴露于酸性中，可以缩小凸起尺寸，但这可能导致芯片与背板之间的错位，因为热膨胀系数不匹配。另一种方法是制造带有凸起的微管，允许室温粘结，并可实现约 5 微米 的凸起尺寸。

图 5. 微 LED 显示器的电气互联技术：a. 倒装焊接工艺示意图。b. 晶圆键合工艺示意图。c. 增长整合示意图

晶圆键合（Wafer bonding），也称为金属-金属键合或共晶键合，用于将 Micro-LED 与背板电气互连，而无需使用焊点，而焊点对于制造高像素密度微显示器来说是必要的。图 5b 展示了在 LED 晶圆和背板上沉积金终端金属层、高温高压金属键合以共价键合两金属层，以及通过 LLO 或湿刻蚀工艺去除基板的工艺流程。光刻、反应离子蚀刻、钝化和金属化工艺完成了微 LED 的制造。JBD 采用晶圆键合工艺演示了像素间距 4 微米、像素密度 6350 ppi 的单色有源矩阵 Micro-LED 显示器，适用于 AR 显示器。最近，JBD 采用晶圆键合引入了像素间距为 2.5 微米的单色微型发光二极管。然而，现有工艺仅限于单色显示器，因此需要进一步研究以实现全彩微 LED 微显示器。这可以通过单片集成实现垂直全彩 Micro-LED，或使用量子点颜色转换层，如前文所述。

生长集成方法（Growth integration method）通过单一基板上器件层的顺序增长、并排制造像素以及器件对间形成电气互连，实现 Micro- LED 与 TFT 的单体集成，从而获得有源矩阵 Micro- LED 显示屏。这通过消除对准和质传递工艺的需求，降低了工艺复杂性。最新报告显示，基于 InGaN 的微 LED 在使用二氧化硅掩膜的 GaN/AlGaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）晶圆上实现了选择性面积增长，从而实现了单色有源矩阵 Micro- LED 显示（见图5c）。为此，需要在 450°C 以下实现低温外延生长，特别是允许在金属垫片上直接生长而不损坏底层电路。或者，可以使用耐高温背板技术，如基于 AlGaN/GaN 的 HEMT 晶体管，以承受外延工艺的热预算。另一种方法是在 LED 基板上低温生长和制造基于二维材料的 TFT。然而，还需要进一步研究以提升像素密度、实现全彩 Micro- LED 集成，以及提升 HEMT 和基于二维材料的 TFT 的稳定性和量产。

缺陷像素的检测与修复

检测和修复在制造Micro-LED 显示屏时至关重要，这些显示屏由极小且高度密集的像素阵列组成。无发光（无光）、亮度异常（暗点）、颜色偏移或常亮（卡点）的像素，可以通过光致发光（PL）、电致发光（EL）和基于机器学习的分析方法进行识别。PL 分析包括利用外部激光或紫外光源对外延晶圆上的 LED 进行光学激励，随后对发射的 PL 进行光谱分析。材料质量基于 PL 的波长和强度进行评估，从而在质量转移过程前识别有缺陷的微型 LED 芯片。EL 分析涉及在实际显示工作条件下驱动电流通过传输的微 LED 并评估发光的光谱特性。最后，机器学习结合高分辨率相机和显微镜快速扫描显示屏亮度、色彩及均匀性异常，深度学习模型通过缺陷模式训练实现像素问题分类，从而实现高通量自动化缺陷检测。

一般来说，有缺陷的 Micro-LED 在转移前和转移后都会得到修复。传输前修复涉及将通过 PL 分析识别出的缺陷像素排除在质量传输到背板之外。LED 外射晶圆上的每个像素位置由多个备用 Micro-LED 组成，仅传输无缺陷部分。转移后修复涉及选择性地移除并更换显示背板上有缺陷的 Micro-LED（通过 EL 分析识别）。具体工艺包括去除固化胶、消除所有颗粒和污染物、重新涂抹粘合材料以及转移无缺陷像素。转印后维修耗时且显著增加 Micro-LED 显示屏的制造成本，尤其是高分辨率显示器。

新兴显示应用

近年来，各种具有新颖功能的显示器相较于传统平板显示器出现了。以下我们将讨论新兴显示应用的机制、材料和设计要求，如透明显示器、可变形显示器以及虚拟现实和增强现实（VR/AR）显示器。

透明显示屏，也称为透视显示屏，近年来因其在橱窗、产品展示柜、抬头显示器和家用电器中的应用而受到行业关注，这些应用能够提升生活质量。多家公司最近在 2024 年消费电子展（CES）等展会上推出了基于微型 LED 和 OLED 的原型显示器。为了实现透明，显示元件如发射器、电极和驱动电路必须经过精心设计。一种方法是在透明基板上制造网格布局的 LED 灯，使不透明网格结构之间的间隙是透明的，使得在足够距离的观看距离下显示呈现半透明（见图6a （i））。这是必要的设计，因为传统的 III–V/III–N 微 LED 和荧光/TADF 的 OLED 是不透明的。微 LED 相比 OLED 具有明显优势，因其更高的亮度和超小芯片尺寸，既能实现高可见度（尤其适合户外或强烈环境光下使用），又能实现透明显示。网格图案还必须设计以最大化透明度和图像质量。另一种方法是使用本质透明的 LED，如 OLED 和 QD-LED，这样关闭时显示即可实现透明（见图6a（ii））。目前的限制在于用于防止氧气和水分进入的厚层封装降低了透明度。封装层、防反射涂层、微透镜和优化像素几何的进步，有望提升光提取效率和显示的透明感。

图 6. 新兴的显示应用：a. 实现透明显示的两种方法。b. 透明电极和半导体的示意图。c. 可变形显示的设计策略与材料工程。

整体显示透明度也依赖于 TFT 中使用的电极和半导体。氧化铟锡（ITO）因其高光学透光率（~90%）和低片阻（~10 Ω）而最广泛使用，但受限于脆性和高制造成本。替代品如超薄金属、网格图案电极以及纳米材料如银纳米线（AgNWs）、碳纳米管（CNT）和石墨烯，具有灵活性和高透明度，但存在高表面粗糙性和稳定性差等问题（见图6b（i， ii））。透明半导体可分为氧化物、有机和纳米材料基半导体（图6b （ii， iii）。氧化物半导体如 IGZO 提供高透射性和适中的电子迁移率，但需要封装层以防止降解。有机半导体具备灵活性和溶液工艺性，但受限于低迁移率和稳定性问题。基于纳米材料的半导体，包括石墨烯和过渡金属二硫化物（TMD），具有优异的迁移性和透明度，但面临接触抵抗、工艺难度和可扩展性等挑战，限制了其实际应用。

可变形显示器，包括可折叠、可滚动、柔性和可伸缩设备，在可穿戴显示器、曲面显示器和便携显示器中具有潜在应用潜力，能够在健身追踪、时尚和娱乐等多个领域提升生活质量。可变形显示可以通过使用（i）实现机械柔韧/可伸缩的结构设计，或（ii）本质可伸缩的材料来实现。允许变形的机械设计示例包括在预应变弹性体基底上形成的屈曲结构、带有可伸缩金属互连的岛桥设计，以及折纸或折纸设计（图6c（i–iii））。这些工程应力释放设计使显示屏的脆性部件能够反复发生变形而不断裂。本质可伸缩显示器使用嵌入弹性体基体中的发光纳米材料（OLEDs、量子点）、导电聚合物和液态金属，使系统能够在施加应力下均匀拉伸（见图6c （iv））。这种方法的优点是通过消除对工程应力缓解结构的需求，从而实现更高的像素密度，而这些结构占用了大量空间。然而，其目前的局限性包括稳定性和电气性能低于刚性显示器，材料选择有限，分辨率和当量率较低。

VR 显示器是一种近眼显示器，通过为每只眼睛呈现略有不同的图像，创造模拟的三维环境，使用户能够感知深度，并沉浸在可实时互动的虚拟世界中。虚拟现实展示能够在教育与培训（医疗/军事行动）、娱乐（游戏、电影、现场活动）和医疗（远程手术）领域产生变革性影响。在标准的虚拟现实系统中，显示器发出的光会经历多重偏振和反射过程，以增强图像清晰度、最小化畸变并确保宽广的视野，这有助于将平面二维图像投射到我们眼中，形成聚焦的三维图像（见图7a）。由于观看距离较短（1–2 英寸），VR 显示器需要超高像素密度，以减少像素间明显的间隙，即屏门效应，从而减少沉浸感。液晶显示器曾用于早期商业产品如 Meta Quest，而最新的 VR 设备 Apple Vision Pro 则使用微型 OLED，提供更轻的重量和更高的像素密度（3386 ppi）。VR 显示器需要适中的亮度，因为头显会阻挡环境光。当前研究重点是提高像素密度、降低功耗，以及最小化 VR 显示器的尺寸和重量。正努力解决 FMM 制造中的技术挑战，包括提高耐用性、支持高分辨率图案化，以及确保 OLED 材料在单一图案内的沉积均匀性。不同商业 VR 显示产品的关键特征总结见表 3。

图 7. VR/AR 显示屏：a. VR 显示结构 。b. 带波导的增强现实显示器结构。

表格3：商用VR/AR显示产品关键参数对比基准表

AR 显示器是一种近眼显示器，将数字信息如图像、文本或 3D 模型叠加在现实世界之上，使用户能够同时看到物理环境和新增的数字内容。它们的主要优势是提升用户的意识和决策能力，这对旅行、设计、制造、医疗实践和军事行动等多种活动都很有用。在实际应用中，增强现实显示器需要高度沉浸的眼镜式显示器，分辨率最低为 5000 ppi（或~60 像素每度），视角至少 60°，重量不超过 40 克，且外形纤薄。基于液晶硅（LCoS）和激光束扫描（LBS）技术的微显示器传统上用于增强现实显示器（例如，Microsoft HoloLens 基于 LBS;参见表 3）。

相比之下，基于 JBD Hummingbird 微显示器的最新增强现实眼镜，如 Meta Orion，使用三个单色微 LED 显示屏（用于 RGB），通过光学合波器（如波导）和焦平面导向器（见图7b）。 每幅单色图像通过输入光栅耦合到高折射率波导中，经过多次内部反射，并通过空间扩展的输出光栅排出，将合成的多色图像传递给用户眼睛。该设计的一个主要缺点是显著的光学损耗。由于 LED 发射的光具有朗伯角度分布，只有极少数发射光进入波导，经过多次反射后到达眼睛的光量更少。为缓解这一问题，采用微透镜阵列（MLA）以满足 étendue 要求并提升光耦合效率;然而，它们的性能存在实际限制。在光学合波器和图像投影跨多个焦平面时，还会发生额外的损耗。AR 眼镜的总损耗已知超过 99%。因此，AR 显示器在户外可见度下需要极高亮度，这使得 Micro-LED（>106 尼特）比 Micro-OLED（~103 尼特）更具实用性。此外，功耗对可穿戴增强现实显示器同样至关重要。Qian等人最近对五种微显示技术（ Micro-LED、OLED、LCoS、DLP 和 LBS）进行了全面比较，并确定 Micro-LED 和先进 LCoS 是低功耗增强现实眼镜最有前景的候选产品。 虽然 LCoS 目前提供了更成熟的解决方案，但 Micro-LED 被广泛认为是下一代增强现实眼镜理论上最理想的技术，前提是关键的制造和集成障碍得以解决。设计能够从 LED 中产生准直发射的前端光学系统，仍然是高效增强现实眼镜面临的关键挑战。 还需要进一步研究以提升亮度、分辨率和视野。同时减轻系统的重量和体积。

总结与展望

近年来，显示技术取得了显著进步，显著提升了图像质量，减少了体积和重量，并发现了透明性、可变形性和浸入感等新颖功能应用。尽管 OLED 仍是商业显示平台的主导地位，但 Micro-LED 因其卓越的亮度、效率、长寿命和可扩展性，正逐渐成为下一代解决方案。然而， Micro-LED 的广泛采用仍面临材料、工艺集成和系统设计等多项关键挑战。质量转移和翻转芯片键合技术预计主要用于中低分辨率的平板显示器，同时将继续努力提升转印率率、校准精度和成本效益。对于高分辨率应用如增强现实/虚拟现实微显示器，单体集成和晶圆键合是实现超高 PPI 和全彩 RGB 集成的有前景方法。其他新兴策略，包括单体生长、隧道结法、二维材料辅助层转移和选择性全彩纳米线生长，已显示出克服器件堆叠、色彩控制和像素微型化现有限制的潜力。在透明显示器和可变形显示器中，Micro-LED 不仅能减小像素尺寸，还提升了透明度和灵活性，尽管光学损耗和系统层面的复杂性仍需解决。 特别是对于增强现实系统，高亮度要求（>10^6 尼特）、辐照限制（发射角在±5°以内）和波导耦合效率构成重大挑战，因此需要新型光学架构，如微透镜阵列、准直发射器和多焦点平面投影光学。展望未来，外延增长、芯片级 RGB 垂直堆栈封装、粘合技术以及集成背板电子技术（包括 HEMT 和 2D-TFT）的进步将面临实现可制造性和可扩展 Micro-LED 显示屏的挑战。随着持续创新，Micro-LED 有望彻底革新消费电子、可穿戴系统、汽车显示屏等下一代显示屏，可能重新定义我们与信息的互动方式，迈向“元宇宙时代”——正如智能手机在过去十年所做的那样。

作者：Tae Soo Kim, Jung-El Ryu, Jinhong Park, Rih-Jia Liu, Joonghoon Choi, Jeehwan Kim, Young Joon Hong, Dong-Hwan Kim & Jiho Shin 

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02027-1