综述：显示技术的未来趋势：Micro-LED走向透明、自由形态和近眼显示

本综述系统探讨了以Micro-LED为核心的新一代自发光显示技术，涵盖其材料特性（如InGaN、AlGaInP）、制造工艺（如MOCVD、mass transfer）及应用前景（AR/VR、透明与可变形显示）。文章重点分析了Micro-LED在尺寸依赖效率、巨量转移技术、背板互联和缺陷修复方面的挑战，并与OLED、QLED、PeLED等现有技术进行对比，指出其在亮度（>107 nits）、响应速度（1–10 ns）及寿命方面的显著优势，为未来显示技术发展提供了重要参考。

　　

自发光显示技术的演进

显示技术在数字时代扮演着核心角色，人类日常获取的感官信息中有80%通过视觉完成。从1934年黑白阴极射线管（CRT）电视商业化以来，显示材料与结构的创新不断推动图像分辨率、对比度、亮度及响应速度的提升。CRT作为最早广泛使用的显示技术，其原理是通过电子枪轰击荧光屏发光，但体积笨重、功耗高。随后等离子显示面板（PDP）采用平板设计，适合大尺寸屏幕，但仍存在功耗高、散热需求大、易烧屏和寿命短的问题。

至2000年代初，液晶显示器（LCD）以低功耗和轻量化优势主导市场。其基本结构为两片偏振片间夹一层液晶分子，通过薄膜晶体管（TFT）施加电流调节透光强度。但由于液晶分子响应缓慢，典型开关响应时间为5–25毫秒。虽通过过驱动电压方案可将灰阶响应时间缩短至约1毫秒，但LCD的对比度受限于背光泄漏，无法实现真正黑色。Mini-LED背光技术的引入通过局部调光改善了对比度，但根本局限仍存。

显示技术的重大进步是从真空和流体平台转向采用微电子制造工艺的固态器件。1987年，C.W. Tang和VanSlyke首次报道低电压有机发光二极管（OLED），OLED显示在2000年代末因高对比度、自发光RGB像素独立控制而流行。OLED结构更薄、更轻，无需背光单元，但存在寿命短、耐湿耐热性差、最大亮度有限（<4000 nits）的问题。2015年推出的量子点发光二极管（QLED）显示实质仍是LCD，使用量子点（QD）作为色彩转换层，提升了色彩准确度和亮度，但对比度低。

为克服这些局限，显示领域开始探索Micro-LED技术。Jiang等人首次演示了可被动寻址的Micro-LED阵列，为自发光微显示奠定基础。Micro-LED显示采用无机自发光红、绿、蓝LED，尺寸微缩，具备更高亮度、更低功耗、更快响应速度、更好耐用性和更长寿命。但其制造成本极高，主要因巨量转移技术不成熟。

显示材料、结构与制造工艺

当前四大自发光显示材料包括OLED、QD、钙钛矿（PeLED）和Micro-LED。QD在商用QLED显示中作为色彩转换层，但也可作为直接发射体（称为QD-LED）。OLED、QD-LED和PeLED的基本结构相似，均包含n型电子注入层和p型空穴注入层，但发射层 composition 不同。而Micro-LED的发射层结构更复杂，含多量子阱（MQW），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。

OLED材料通过物理气相沉积（如热蒸发、溅射）制备，发光机制为电致发光，波长取决于发射层组成。其材料从早期荧光OLED发展为现今磷光OLED和热激活延迟荧光（TADF）OLED，理论内量子效率（IQE）可达100%，采用主体-客体系统实现高效激子转移和波长调谐。OLED显示优势包括无限对比度、广视角、薄型化和快响应，但易受湿热度影响，材料降解、激子淬灭等问题突出。精细金属掩模（FMM）用于RGB像素 patterning，但机械下垂问题阻碍大面积加工。蓝光OLED效率（EQE<25%）和寿命（<500小时@1000 nits）仍是挑战。

QD是半导体纳米颗粒，具精确可调发射波长、窄线宽和高光致发光量子产率（PLQY）。QD色彩转换器色彩纯度高，使QLED显示画质优于传统LCD。 patterning 方法包括光刻剥离、喷墨打印和转印。QD-LED采用溶液成膜技术（如旋涂、喷墨打印），EQE较高（红38.2%，绿29.2%，蓝23%），但稳定性差、可靠性低， hybrid p-n结存在激子淬灭、非辐射复合（如俄歇复合）和焦耳热问题，溶液工艺均匀性和可扩展性不足。

PeLED采用金属卤化物钙钛矿（MHP），ABX₃晶体结构可通过组成调节发射波长，具窄半高宽（FWHM）和高色纯度。溶液法制备成本低，EQE不断提升（红28.7%，绿29.5%，蓝23.5%），但存在焦耳热、均匀性差和铅基毒性问题。近期研究实现了127,000 ppi像素密度的亚100纳米PeLED。

Micro-LED是最有前景的下一代高性能显示技术，基于III-V（如AlGaInP/GaAs）和III-N（如InGaN/GaN）化合物半导体，尺寸小于100μm，通过MOCVD或MBE外延生长。MQW结构有效限制载流子，促进辐射复合，对外部扰动不敏感，在亮度、对比度、响应速度、功率效率、功能寿命和湿热稳定性上均优于OLED、QD-LED和PeLED。例如，蓝光InGaN LED亮度>200 lm W^-1（对应>10⁷ nits），IQE近100%，响应速度1–10 ns。但面临尺寸依赖效率损失和巨量转移技术不成熟两大挑战。

Micro-LED功率效率随尺寸减小而急剧下降，尤其是芯片尺寸低于20μm时，外量子效率（EQE）锐减，因表面缺陷比例增加导致非辐射复合。红光AlGaInP Micro-LED表面复合速度和载流子扩散长度更大，侧壁载流子损失更严重。InGaN基蓝绿光Micro-LED在15μm尺寸仍保持较高EQE（40%和30%），而红光仅10%。解决方案包括开发InGaN基红光Micro-LED，其结构与蓝绿光相似，对侧壁非辐射复合不敏感，EQE保持更好，且可简化制造流程。但高铟含量MQW均匀生长困难，低温外延导致晶格失配和晶体质量下降。

巨量转移技术

Micro-LED显示的另一挑战是巨量转移技术成熟度低，该技术用于将制备的RGB Micro-LED芯片与CMOS背板集成，实现有源矩阵操作。巨量转移因红、绿、蓝Micro-LED芯片仅能分别生长在晶格匹配的单晶衬底上（红光常用GaAs，蓝绿光用蓝宝石），需将芯片从生长衬底选择性转移至目标衬底，并以更大像素间距排列，以降低成本。

尽管多种技术开发中，但设备成本高、缺陷像素多（错位或缺失）及严格质控推高了制造成本。4K分辨率显示需约2400万颗RGB Micro-LED芯片，即使缺陷率0.01%，也有约2400颗次像素需修复。理想巨量转移需达99.9999%良率和1亿颗/小时速率。

主流巨量转移技术包括微转印打印（μTP）、激光诱导向前转移（LIFT）、流体自组装（FSA）和单片集成。μTP采用弹性体印章（如PDMS）通过黏附控制拾放芯片，X Display Company报道良率超99.9%，具高吞吐量和材料通用性，但良率问题和工艺复杂。LIFT利用激光照射动态释放层（DRL）选择性转移芯片，Uniqarta的MPLET技术速率达1亿颗/小时，优点是非接触、高吞吐，但存在对准精度低、机械损伤风险及激光光空间分布宽导致误释放问题。FSA通过载体流体使芯片自组装至具结合位点的目标衬底，eLux、SAIT和LG均开发相关技术，优点是高吞吐、低成本，但芯片易碰撞损伤、设计复杂且易团聚。单片集成（垂直堆叠）通过垂直堆叠超薄RGB LED层，自上而下制造全彩Micro-LED，像素密度可提升三倍，材料成本降低，且转移次数减少，对准精度高（光刻覆盖精度>50 nm）。Ostendo、Shin等人和Jade Bird Display均演示了单片集成技术，但需进一步与CMOS背板集成。单片生长法（如Ostendo、Porotech）在单一衬底上顺序生长InGaN基RGB LED，工艺简单但无法独立控制RGB子像素色彩亮度，InGaN红光EQE低，且高温顺序生长导致Mg掺杂剂扩散增加接触电阻。纳米线LED单片生长为超高像素密度显示提供了替代方案。

背板互联技术

巨量转移后，Micro-LED需与显示背板电气互联，背板含晶体管和电容器电路，控制各子像素亮度及开关状态。OLED显示可直接将RGB子像素沉积在背板接触垫上，而Micro-LED因高生长温度可能损伤CMOS电路，需不同方法。大尺寸Micro-LED显示采用倒装芯片键合，微显示采用晶圆键合，另一方法是生长集成，即TFT在LED晶圆上生长并单片互联。

倒装芯片键合（又称焊料凸点键合）用于大尺寸显示，吞吐高、成本低，工艺涉及RGB LED芯片巨量转移至临时衬底、形成图案化凸点（铟或金）或各向异性导电膜（ACF）、与背板对准热压键合及移除临时衬底。凸点尺寸大（~10μm）阻碍高分辨率显示制造，甲酸回流工艺可减小凸点尺寸，但热膨胀系数失配导致错位。微管填充凸点技术可实现~5μm凸点尺寸。

晶圆键合（金属-金属键合或共晶键合）用于高像素密度微显示，无需焊料凸点，工艺包括在LED晶圆和背板上沉积Au端接金属层，高温高压下共价键合，再通过LLO或湿法蚀刻移除衬底。JBD利用该技术演示了像素间距4μm、像素密度6350 ppi的单色有源矩阵Micro-LED微显示，近期更实现2.5μm像素间距。但现有工艺限于单色显示，全彩需通过单片集成垂直全彩Micro-LED或QD色彩转换层实现。

生长集成法通过在同一衬底上顺序生长器件层，并行制造像素，形成器件对间电气互联，实现有源矩阵Micro-LED显示，省去对准和巨量转移步骤。近期报道在GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管（HEMT）晶圆上选择性生长InGaN基Micro-LED，实现单色有源矩阵显示。低温外延（<450°C）是关键，可直接在金属垫上生长而不损伤下层电路。也可在LED衬底上低温生长和制造2D材料基TFT，但需提高像素密度、实现全彩集成及改善HEMT和2D材料基TFT的稳定性和量产性。

缺陷像素的检测与修复

Micro-LED显示制造中，检测与修复至关重要。死像素、亮度异常、色偏或常亮像素可通过光致发光（PL）、电致发光（EL）和机器学习分析识别。PL分析通过激光或UV光源光学激发LED，光谱分析发射PL，评估材料质量，巨量转移前识别缺陷芯片。EL分析在实际显示操作条件下驱动电流，评估发光光谱特性。机器学习结合高分辨率相机和显微镜快速扫描亮度、色彩和均匀性异常，深度学习模型训练缺陷模式实现高通量自动检测。

修复分转移前和转移后。转移前修复通过PL分析排除缺陷像素，LED外延晶圆每个像素点含多个备用Micro-LED，仅转移无缺陷者。转移后修复选择性移除和更换背板上缺陷芯片（经EL分析），过程包括移除固化粘合剂、消除颗粒污染物、重新施加粘合材料及转移无缺陷像素，耗时且成本高，尤其高分辨率显示。

新兴显示应用

近年涌现多种具新功能的显示，如透明显示、可变形显示及虚拟与增强现实（VR/AR）显示。

透明显示（又称透视显示）因应用于橱窗、产品展示、平视显示和家电而受关注，多家公司在CES 2024展出基于Micro-LED和OLED的样机。实现透明需精细设计发射体、电极和驱动电路。一方法是在透明衬底上以网格布局制造LED，不透明网格结构间透明空隙使显示在半透明观看距离下呈现透明，因传统III-V/III-N Micro-LED和磷光/TADF OLED不透明。Micro-LED因高亮度和超小芯片尺寸，户外或强光下可见性高且透明性好。网格图案需优化以最大化透明度和画质。另一方法采用固有透明LED（如OLED和QD-LED），关闭时显示透明，但厚封装层降低透明度。封装层、抗反射涂层、微透镜和优化像素几何形状可提升光提取效率和感知透明度。

电极和TFT中半导体的透明度也影响整体显示透明。氧化铟锡（ITO）是最常用透明电极，光学透射率~90%，薄层电阻~10 Ω/□，但脆性高且制造成本高。替代品如超薄金属、网格图案电极和纳米材料（银纳米线AgNW、碳纳米管CNT、石墨烯）具柔性和高透明度，但存在表面粗糙度高和稳定性差问题。透明半导体分氧化物、有机和纳米材料基半导体。氧化物半导体如IGZO透射率高，电子迁移率适中，但需封装防降解。有机半导体具柔性和溶液可加工性，但迁移率低和稳定性差。纳米材料基半导体（石墨烯、过渡金属二硫属化物TMD）迁移率和透明度优异，但接触电阻高、加工难和可扩展性差限制实用化。

可变形显示（可折叠、可卷曲、柔性和可拉伸）应用于可穿戴显示、曲面显示和便携显示，改善健身追踪、时尚和娱乐等领域生活质量。实现可变形可用（i） enabling 机械柔性/可拉伸性的结构设计，或（ii）本征可拉伸材料。机械设计包括预应变弹性体衬底上形成的屈曲结构、具可拉伸金属互连的岛桥设计及折纸或剪纸设计，这些应力 relief 设计使显示脆性组件可重复变形而不破裂。本征可拉伸显示采用发光纳米材料（OLED、QD）嵌入弹性体基质、导电聚合物和液态金属，使系统在应力下均匀拉伸，优点是可实现更高像素密度，因无需占用空间的应力 relief 结构，但现有局限包括稳定性/电性能差、材料选择有限及分辨率和良率低。

VR显示是近眼显示，通过向每只眼提供略有不同的图像创建模拟3D环境，用户感知深度并沉浸于可实时交互的虚拟世界。标准VR系统中，显示发射的光经多次偏振和反射过程，以增强图像清晰度、最小化畸变并确保宽视场，助将2D图像投射为聚焦3D图像。因观看距离小（1–2英寸），VR显示需超高像素密度以减少像素间可见间隙（纱窗效应）。早期商用产品如Meta Quest用LCD，最新VR设备Apple Vision Pro用Micro-OLED，更轻且像素密度更高（3386 ppi）。VR显示需中等亮度，因头显阻挡环境光。当前研究聚焦提高像素密度、降低功耗及减小尺寸和重量。

AR显示是近眼显示，将数字信息（图像、文本或3D模型）叠加于真实世界，用户同时看到物理环境和数字内容。其主要优势是提升用户感知和决策能力，适用于旅行、设计、制造、医疗实践和军事操作等广泛活动。实用AR显示需高沉浸感、眼镜式设计，最低分辨率5000 ppi（或~60像素每度ppd），视场至少60°，重量40克以下，且外形轻薄。传统AR显示基于硅上液晶（LCoS）和激光束扫描（LBS）技术（如Microsoft HoloLens用LBS）。

最新AR眼镜如Meta Orion基于JBD Hummingbird微显示，采用三个单色Micro-LED显示（对应RGB），通过光学组合器（如波导）和焦平面导向器向眼传递全彩图像。每个单色图像经输入光栅耦合入高折射率波导，经多次内反射，通过输出光栅空间扩展并传递组合多色图像至用户眼。该设计主要缺点是光损耗大。因LED发射光为朗伯分布，仅小部分发射光进入波导，经多次反射后达眼的光更少。为缓解此，采用微透镜阵列（MLA）满足étendue要求并提升光耦合效率，但性能有实际限制。光学组合器和多焦平面图像投射中存在额外损耗。AR眼镜总损耗超99%。因此，AR显示需极高亮度（>10⁶ nits）以实现户外可见性，使Micro-LED（>10⁶ nits）比Micro-OLED（~10³ nits）更可行。功耗对可穿戴AR显示也关键。Qian等人近期比较五种微显示技术（Micro-LED、OLED、LCoS、DLP和LBS），认为Micro-LED和先进LCoS是低功耗AR眼镜最有前景候选。LCoS目前更成熟，但Micro-LED理论上是最理想技术，前提是解决关键制造和集成障碍。设计能产生LED准直发射的前端光学仍是高效AR眼镜的关键挑战。需进一步研究提高亮度、分辨率和视场，同时降低系统重量和尺寸。

总结与展望

显示技术近年取得显著进步，图像质量提升、尺寸重量减小，并发现透明、可变形和沉浸感等新功能应用。虽OLED仍是主流商用显示平台，但Micro-LED凭借更高亮度、效率、长寿命和可扩展性成为下一代解决方案。然而，Micro-LED广泛应用仍面临材料、工艺集成和系统级设计挑战。巨量转移和倒装芯片键合预计主要用于中低分辨率平板显示，持续努力将改善转移良率、对准精度和成本效益。高分辨率应用如AR/VR微显示，单片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片生长、隧道结、2D材料辅助层转移和选择性全彩纳米线生长， show 克服器件堆叠、色彩控制和像素微型化现有限制的潜力。在透明和可变形显示中，Micro-LED在减小像素尺寸、增强透明度和柔性上具优势，但光损耗和系统级复杂性仍是待解决问题。尤其对AR系统，高亮度要求（>10⁶ nits）、étendue限制（发射角 within ±5°）和波导耦合效率是主要挑战，需新型光学架构如微透镜阵列、准直发射器和多焦平面投射光学。展望未来，外延生长、芯片级RGB垂直堆叠封装、键合技术和集成背板电子学（包括HEMT和2D-TFT）的进步对实现可制造和可扩展Micro-LED显示具挑战。持续创新下，Micro-LED有望革命性改变消费电子、可穿戴系统、汽车显示等下一代显示，重新定义信息交互方式，迈向“元宇宙时代”。