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十大led技術(shù)：Mini-LED, Micro-OLED, and Micro-LED
相比于傳統(tǒng)的顯示技術(shù)，微型顯示器作為許多新型顯示設(shè)備的核心部件，例如擴展現(xiàn)實（XR）、抬頭顯示器（HUD），在感測和光通訊裝置上也顯示出巨大的潛力。然而，當(dāng)前技術(shù)的不完善確實限制了整個市場的進步
最近，香港城市大學(xué)的何志浩教授與鴻海研究院半導(dǎo)體研究所的郭浩中教授在《Advanced Optical Materials》發(fā)表了一篇針對微型顯示器的文章，進行了全面的技術(shù)和前景分析。
實現(xiàn)微型顯示器有多種技術(shù)路徑，包括Mini-LED、Micro-OLED、Micro-LED和QD Micro-LED，它們各有優(yōu)勢和劣勢，但都處于不同的發(fā)展階段。
Mini-LED
圖一：Mini-LED結(jié)構(gòu)圖
Mini-LED主要用作液晶顯示器（LCD）的背光源，其尺寸比傳統(tǒng)的LED小，可可以實現(xiàn)更精細的背光調(diào)整，從而提供更高的對比度和動態(tài)范圍。Mini-LED保持了LCD的基本架構(gòu)，包括偏光層、液晶層和濾光片。因此，使用Mini-LED的微型顯示器能充分利用LCD技術(shù)的優(yōu)點，如成熟的生產(chǎn)流程、低廉的成本以及高質(zhì)量的圖像表現(xiàn)。市場上已經(jīng)有多種相關(guān)產(chǎn)品可供選擇。但同時，它也繼承了LCD的缺點，如顏色飽和度和響應(yīng)時間稍顯不足。
表一列出了一些提升Mini-LED性能的方法。
一些優(yōu)化Mini-LED性能的方法包括使用功能性薄膜或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)來增加光萃取或光擴散性能，提升顯示器的亮度、均勻度和視角；以及通過使用SiO2/石墨雙層結(jié)構(gòu)的消光層來降低環(huán)境光反射并增強明室對比度。為了緩解光暈效應(yīng)，一些設(shè)計已通過調(diào)整像素和薄膜晶體管的面積比例成功減少光線從亮區(qū)泄露到暗區(qū)。此外，量子棒也可優(yōu)化現(xiàn)有的偏光材料，提高亮度并改善能耗。
圖二：透過二色性反射鏡防止紅綠光往反方向發(fā)射
Micro-OLED
圖三：Micro-OLED結(jié)構(gòu)圖
Micro-OLED是一種自發(fā)光設(shè)備，利用硅基OLED（OLEDoS）技術(shù)，將互補式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和Oled顯示屏融為一體，然后通過特殊的圖案化方法制作出微米級的全色像素。Micro-OLED像素具有自發(fā)光特性，無需背光源，因此在光學(xué)性能上表現(xiàn)卓越。但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且需要對有機材料進行保護，以防止水分和氧氣的侵蝕，所以在性能方面有所妥協(xié)。
表二列出了一些提升Micro-OLED性能的方法。
為了在相同電流密度下提升Micro-OLED的亮度，有許多方法包括優(yōu)化光學(xué)設(shè)計以提高光萃取效率以及在發(fā)光組件上方采用更透明的設(shè)計。在可靠性方面，也可以通過熱管理、器件設(shè)計（電子傳輸層和空穴傳輸層的厚度優(yōu)化），或者使用層疊式結(jié)構(gòu)，使亮度增加而不增加電流密度。
圖四：直接發(fā)光及通過濾光層發(fā)光器件的光學(xué)性能對比
Micro-LED
圖五：Micro-LED及QD-Micro-LED結(jié)構(gòu)圖
Micro-LED也是自發(fā)光設(shè)備，結(jié)合了前兩者的優(yōu)點，包括優(yōu)秀的光學(xué)性能和穩(wěn)定性。同時，其結(jié)構(gòu)更為簡潔，在不同的應(yīng)用場景下更有彈性。但是，Micro-LED在材料和工藝上尚未完全成熟，導(dǎo)致成本過高且性能尚未被完全發(fā)掘。
表三列出了一些提升Micro-LED性能的方法。
首先，為了進一步提升亮度、能耗等性能，Micro-LED的效率必須得到提升。當(dāng)Micro-LED晶體縮小到一定尺寸，側(cè)壁存有缺陷的比例會大幅提高并降低內(nèi)部量子效率（IQE）。目前比較有效的方法包括對器件進行鈍化處理，例如使用原子層沉積法（ALD）。為了從根本上減少缺陷，可以透過選用較穩(wěn)定的材料（紅光InGaN），或者使用中子束刻蝕法（NBE），將制程中產(chǎn)生的缺陷降到最低。
圖六：(a,b)ALD鈍化，(c,d)NBE刻蝕的結(jié)構(gòu)，及其外部量子效率變化
全彩顯示器可以透過巨量轉(zhuǎn)移，包括圖七所展示的彈性體印章、激光、流體自主裝及卷對卷等、色轉(zhuǎn)換的方法制造。但同時也可以通過可調(diào)色Micro-LED晶體達成。例如利用多量子阱結(jié)構(gòu)（MQWs）、納米棒數(shù)組、或結(jié)構(gòu)缺陷（例如V型凹槽、多孔結(jié)構(gòu)）等方法，在一定的電壓或電流范圍內(nèi)能發(fā)出全可見光光譜的顏色。
圖七：常見巨量轉(zhuǎn)移方法
QD-Microled
由于Micro-LED的量產(chǎn)化仍較為困難，目前更成熟的技術(shù)是配合量子點（QD）技術(shù)進行色轉(zhuǎn)換的QD-Micro-LED。它能以紫外或深藍色的Micro-LED光源作為激發(fā)源，經(jīng)過轉(zhuǎn)化后變?yōu)槔硐氲念伾?。但QD-Micro-LED的可靠性較差，并且在光學(xué)性能上不如LED出色。
表四列出了一些提升QD-Micro-LED性能的方法。
為提升量子點的轉(zhuǎn)換效率，可以透過優(yōu)化色轉(zhuǎn)換層的光路，比如利用納米多孔結(jié)構(gòu)增加光反彈次數(shù)，減少光自由程；或者透過反射結(jié)構(gòu)回收未經(jīng)轉(zhuǎn)換的藍光，盡可能讓激發(fā)光被吸收而不需增加色轉(zhuǎn)換層厚度。
而為了增加QD-Micro-LED的可靠性，可以透過在量子點外包覆保護層，或通過ALD、PECVD等手段進行更好的封裝，以防止水解。同時器件也需要更好的散熱性能，比如在周圍結(jié)構(gòu)上使用高導(dǎo)熱性能的材料，采用液態(tài)或液態(tài)/固態(tài)雙相量子點材料以及改進量子點自身的性能令QD-Micro-LED的使用壽命延長。
展望
圖八：各顯示技術(shù)的性能矩陣以及應(yīng)用場景的性能要求
在目前的技術(shù)條件下，Mini-LED技術(shù)顯然是最成熟的，具有成本和可靠性的優(yōu)勢。雖然在光學(xué)性能上有所不足，但在各種可穿戴設(shè)備中依然占據(jù)一席之地。Micro-OLED的技術(shù)也在逐漸成熟，尤其在一些對圖像解析度要求高的場景中，已經(jīng)看到了Micro-OLED的應(yīng)用。然而，由于亮度和響應(yīng)速度的限制，Micro-OLED更適合用于需要高解析度、色彩表現(xiàn)但不需超高亮度的VR設(shè)備。而Micro-LED則更適合用于AR或HUD顯示。雖然其在工藝方面的不完善導(dǎo)致Micro-LED的成本過高，但其亮度、可靠性以及響應(yīng)時間符合上述應(yīng)用的要求，因此，這項技術(shù)在未來成熟后將具有更大的市場潛力。
