Micro LED有趣的前世今生

        LED，即发光二极管，是大家非常熟悉的一项技术，无论是室内照明还是屏幕显示，它都有着非同小可的地位。那么Micro LED又是什么呢？仅仅是LED的一个等比例缩小吗？未来又会有什么应用？是不是也会有一些悬而未决的麻烦？我们接下来将会一一道来。

 

        首先，Micro LED的是以LED为基础的一项技术，我们由此需要先系统性地对LED的发展和原理做一个梳理。 

 

 

一. 简介LED

 

        （一）LED的发展

        1907年，英国人Henry Joseph Round发现，将电流施加在无机材料上可以使其发光，并将这种现象命名为“Round现象”。然而，由于Round的主要研究领域是海上定向运输系统，因此在他的圈子里很少有人能够意识到这个现象的价值。直到1921年，俄国物理学家OlegLossew再次观察到“Round现象”并作出了进一步的描述与推广，而该现象的物理解释是在1951年半导体物理学的不断进步下终而被提出的。然而现象本身固然神奇，但如果没有科技生产上的运用，人们便会慢慢将其忘记。好在1962年，来自美国的NickHolonyak开发出了首个红色LED，并成功将其投入了市场，标志着LED工业生产的开始。然而，蓝光LED一直没有被研发出来，导致三原色不全，LED的应用被严重限制。蓝光LED基于一种叫氮化镓（GaN）的半导体材料，而当时的GaN研发面临着三大技术难题。首先是生长平坦的高质量GaN薄膜非常困难，其次是p型的GaN难以制备，从而无法完成发光要求，最后是高质量InGaN薄膜不能常温下工作。中村修二团队不懈努力，将三个问题逐一解决，最终攻克了蓝光LED这道困扰过包括Intel等公司的巨大关卡，并荣获2014年诺贝尔物理学奖，是LED发展史上的里程碑式事件。此后，二极管的发光效率越来越高，颜色也越来越丰富，如今已经成为人们生活的必需品。尤其是近几年，由于人们对显示的方式和需求进一步升级，衍生于LED的OLED（有机LED，organic LED），Mini LED，包括本文的主角Micro LED应运而生，拓展出了一片生机勃勃的新天地。

 

 

        （二）LED的原理

        或许大家会有这样一个疑惑，爱迪生1879年就发明出了电灯泡，而LED与其有什么区别呢？
 

        对于电灯泡而言，发光的物质是钨丝，在高温下钨原子的核外电子会吸收热能被激发到高能态，在这种不稳定的状态下电子很容易回归原来的状态，而减少的能量约百分之九十以热能的形式释放，少部分转换成光子，被视网膜所捕捉，完成发光。

 
        然而，LED的情况就有一些复杂了，通俗来讲，在一块固体中，由于原子间距离很近，因而原子轨道会相互明显的干扰，因此我们往往会把固体当成一个整体，其原子轨道也就变成了同等总数的固体轨道。固体所含原子数目过于庞大，且由于量子力学基本假设，每一对电子在同分子内顶多有一个电子与之能量相同，因此原本属于同一能级的轨道会形成一个能级区间，这个区间可以被称之为能带。

 

 

        可以看出，密密麻麻的小能级会组成一个较宽的能带，而两个能带间有一段能量间隔，称之为禁带，不允许电子落座于这一能量区间内。

 
        然而，如果一个能带很满，那么电子想要运动将会很困难，因此想要有电流流通，需要电子从原先较满的能级（一般是能量最高的‘价带’）激发到更高一级的空能级（导带）上去，这样既可以使自身在更空旷的能带上自由移动，又可以为原来的能带留出空间（即留下空穴）。宏观来看，导体上出现了导带上的电子以及价带上的空穴这两种载流子，通过一定的掺杂可以控制半导体内载流子是以电子为主（N型半导体）还是空穴为主（P型半导体）。当P型和N型半导体相接触时，会形成PN结，变成二极管，当电流通过二极管时，两种半导体内载流子由于电荷相反，在电场作用下会沿着截然不同两个方向运动，而在半导体接触的边界相遇，发生复合，也就是说，电子会从导带上落回价带的空穴中。在这种能级降低的过程中，能量会以光能放出，至于光子有多大能量，则取决于禁带的宽度，而该能量决定着发光的颜色。

 

 

        （三）LED性能优势

        基于原理的优势，LED可以将更大比例的能量转化为光能，从而获得更高的发光效率，达到100流明每瓦特以上，是白炽灯的五倍以上，而由于LED的发光不需要超高的热量，从而LED的使用寿命能够达到100，000小时。
 

二. Micro LED

 

        （一）什么是Micro LED，它有什么优势？

        Micro LED最早于2000年在德州理工大学被提出，顾名思义，是一种缩小过的LED，一般尺寸不会超过50微米。

 

 

        由于具有更小的尺寸，MicroLED可以显著提高集成密度，从而达到更高的像素密度，显示会更清晰。不仅如此，Micro LED可以被放入阵列中去，从而在被计算机调控的过程更加顺畅，符合现代的数字化发展需求。

 

        （二）应用领域

        虽然Micro LED属于新兴技术，但它已经可以在一些领域中大放异彩了，其中最具代表性的就是超大显示屏以及AR眼镜。

 
        首先是超大显示屏。

 

 

        Micro LED根据‘Round效应’是自发光的照明设备，发光效率高，能够更容易达到更高的亮度，其顶级亮度可以达到1500尼特，对比度可以达到1000，000。通俗理解，就是用ＭicroLED制成的大屏可以更加清晰，更加明亮，而这两个优势是其它显示技术难以企及的。此外，Micro LED不容易发生频闪现象，从而能够避免人们对屏幕产生晕眩的弊端，提升使用舒适度。此外，Micro LED最显著的优势还是体积小，能够大密度地排布，提升屏幕分辨率。

 
        对于AR眼镜，Micro LED也是最佳的选择。

 

 

        目前比较成熟的AR设备大多都需要类似于头盔的结构来支撑，不仅不美观，而且重量大，易损坏，无法推广的日常应用中去。然而，Micro LED体积小，重量轻，能够在实现功能的同时几乎隐形地被配置在镜片上。不仅如此，超高的光能转化率使得Micro LED不需要耗费太多电能，从而AR眼镜不需要频繁地充电，或者配备巨大的电池，极度地方便了用户的使用。对于连接互联网的电子产品，方便计算机控制也是评估产品设计质量的重要因素。Micro LED可以组成阵列，非常符合计算机利用矩阵控制的运算逻辑，因而这方面也十分契合互联网时代的主题，未来大有可为。

 

        （三）未来的一些挑战

        Micro LED作为一个新兴技术，在前景被多方看好的同时，也面临着一些挑战。

 

        首先是成本问题，Micro LED大规模化转移技术不够成熟，与之相关的其他技术如‘倒装LED芯片技术’也有自身的问题没有解决，因此MicroLED的制作是很费钱的。此外，生产工艺的不完善还会导致制造出的LED良率不高，而同时面对大量被生产出的MicroLED个体，产商目前也没有一个很高效的方式来对其规模化检验。

 

        除了这两个生产上的难题外，MicroLED的理论基础也存在一定隐患。随着LED芯片体积缩小，其比表面积会增大，导致其对电流的控制能力不高，容易意外发生漏电。

 

        Micro LED在市场上还存在后发劣势。目前的相关市场大多被OLED占据，OLED不仅技术更加成熟，而且其生产、加工、应用等一系列体系都已经完善，作为后来者的Micro LED想要打入市场就必须先战胜OLED这个强大的对手，而这个难度是不小的。

 
        然而，纵使困难重重，我们也相信MicroLED的前途是不可限量的，苹果公司在2017年就开始了Micro LED的技术开发，更多公司紧随其后。从概念被提出到今日，Micro LED也就经历了短短二十年的发展，而它的光彩已经不可抑制地向我们照耀了过来。让我们给予这项技术以投入和时间，相信我们不久之后就会见证它的破茧之时。
 
 

 

引用文献

《蓝光之路——为什么蓝光二极管的制造那么难？》

《LED基础：十二个LED重要性能指标》

《Micro LED研究进展综述》

创建时间：2021-10-28 12:32
ꄴ前一个： 无
ꄲ后一个： 无
ꂃ ꁹ