《Micro-LED顯示技術》
田朋飛 著
上海交通大學出版社
光電顯示是人機交換信息的窗口，廣泛應用于手機、計算機、虛擬現實、增強現實等領域。基于第三代半導體材料氮化鎵的Micro-LED 新型顯示具有高發光效率、高亮度、響應時間短和可靠性好的優良特性，被行業譽為繼LCD和OLED顯示的下一代顯示技術。近年來，Micro-LED 顯示成為一個熱門的研究方向，受到了國內外產業界和學術界的高度重視。氮化鎵基LED照明技術的發展促進了LED外延、芯片工藝、封裝技術的突飛猛進，這也有助于LED技術的進步，然而Micro-LED 在外延生長、芯片制備、封裝、應用技術層面與照明LED技術具有本質的不同，需要從各個層面全方位地突破Micro-LED顯示技術，來實現Micro-LED顯示的大規模商業化。并且，Micro-LED 除了顯示功能外，還在可見光通信、光電鑷子、生物醫學等領域具有獨特的優勢。目前，Micro-LED技術是國際競爭關鍵科技焦點之一。但是過去幾十年，在半導體顯示方面的核心技術一直處于日韓等企業的壟斷局面， micro-LED顯示關鍵半導體材料是用的氮化鎵，屬于第三代半導體（也稱為寬禁帶半導體），不管從材料、制造以及裝備，中國半導體顯示行業都遭遇了外部的強大壓力，為了解決半導體顯示“卡脖子”問題，中國也在“十四五”規劃中大力投入對Micro-LED技術的研究，中央和地方政府也密集出臺政策支持新型顯示核心技術的發展。上海交通大學出版社重磅推出《Micro-LED顯示技術》一書，精彩內容一睹為快！
Micro-LED顯示技術——政策導向
※2021年3月13日，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》發布，其中“集成電路”領域，特別提出碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體也就是行業人士關注的第三代半導體要取得發展。micro-LED顯示關鍵半導體材料是用的氮化鎵，屬于第三代半導體（也稱為寬禁帶半導體）。
※2021年5月13日，國家重點研發計劃啟動實施“新型顯示與戰略性電子材料”重點專項。本重點專項總體目標是：面向國家產業安全、戰略產品及重大工程建設需求，以滿足關鍵領域重點電子材料急需為目標，突破新型顯示產業應用關鍵核心技術，打通創新鏈，突破戰略性電子材料制備與應用各環節的共性關鍵技術，保障我國信息、能源、交通、高端裝備等領域核心電子材料和器件的自主供給。
※2021年7月6日，福建省政府發布《福建省“十四五”制造業高質量發展專項規劃》，著力攻克OLED蒸鍍工藝、彩色電子紙、Mini/Micro LED等一批關鍵技術，加快3D顯示、激光顯示等新型顯示技術研發布局。
2021年7月21日，上海市人民政府辦公廳于印發《上海市戰略性新興產業和先導產業發展“十四五”規劃》，新型顯示方面重點加大在AMOLED微顯示、量子點等新技術領域上的布局。
2021年8月3日, 重慶市政府印發《重慶市制造業高質量發展“十四五”規劃（2021—2025年）》（以下簡稱《規劃》）。《規劃》指出，重慶市將重點建設一批具有全國影響力的戰略性新興產業集群，涉及新一代信息技術、新能源及智能網聯汽車、高端裝備、新材料、生物技術和綠色環保6類產業。其中，新一代信息技術包括半導體、新型顯示、新型智能終端、先進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超高清電視內容。
2021年8月9日，廣東省人民政府印發《廣東省制造業高質量發展“十四五”規劃》。規劃涉及三大發展方向，一是謀劃發展十大戰略性支柱產業：新一代電子信息、綠色石化、智能家電、汽車、先進材料、現代輕工紡織、軟件與信息服務、超高清視頻顯示、生物醫藥與健康、現代農業與食品。其中，在十大戰略性支柱產業中，智能家電和超高清視頻顯示與LED照明和顯示行業息息相關。規劃顯示，加快突破超高清視頻 SoC (系統級) 芯片、數據傳輸芯片、高端CMOS (互補金屬氧化物半導體) 圖像傳感器芯片等核心零部件。重點支持發展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。
《Micro-LED顯示技術》獨家解讀
亮點一：助力未來顛覆性顯示技術創新
Micro-LED顯示技術作為下一代新型顯示技術，將引領顯示技術的創新發展。本書從Micro-LED顯示的現狀、歷史和發展趨勢以及Micro-LED器件的關鍵制備技術等方面對這種新型的顯示技術做了較全面的論述。重點梳理了Micro-LED的尺寸效應、溫度效應、光譜特性、光提取效率、光電響應、可靠性等基礎科學問題的研究，詳細深入論述了顯示驅動、全彩色顯示技術的重要進展，系統介紹了Micro-LED在可見光通信、無掩模直寫、泵浦有機激光器、熒光壽命探測、光電鑷子、光遺傳學等領域的前沿應用。
亮點二：推動Micro-LED顯示技術產業化發展
新型顯示產業是國民經濟發展的戰略型產業，本書結合Micro-LED顯示技術的性能特點、制造工藝流程和產業應用，分析了外延生長技術、芯片工藝流程、襯底剝離、鍵合、巨量轉移、顏色轉換、顯示驅動等技術。通過顯示產業材料、工藝設備、芯片制造、終端應用全產業鏈的上下游協同創新，快速突破 Micro-LED 量化生產關鍵技術，將提升 Micro-LED 的產業化技術能力，帶來新一輪顯示技術升級換代。
亮點三：探索Micro-LED前沿研究進展
隨著micro-LED技術的發展，在未來的智能社會里，micro-LED將不僅僅局限于顯示應用，其還將與光通信、醫療探測、智能車燈等應用領域結合，成為變革性的下一代顯示技術。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、micro-LED用于光電探測器和無線充電的新型系統，以及應用于無掩模光刻、泵浦有機激光器、熒光壽命探測、光電鑷子、生物醫學的前沿進展。
序 言
信息、能源與材料技術是構成現代人類文明的重要支柱。隨著人工智能在現代社會的應用和發展，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，信息顯示技術成為國際上競爭激烈的關鍵技術。從材料發展的角度來看，第三代半導體材料對顯示技術的發展影響重大，氮化鎵基高效率白光發光二極管（ LED）作為背光源，促進了液晶顯示器（LCD）的發展，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體發光材料和器件技術的發展。Micro-LED 顯示涉及信息顯示、第三代半導體等多個領域，其具有產業鏈長、門檻高、挑戰性大的特點，micro-LED 顯示技術的商業化對我國掌握顯示領域核心技術將起到重要作用。
目前，LCD和有機電致發光顯示器（OLED）占據市場主導地位，它們主要應用于手機、電視、計算機等領域，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實（VR）、增強現實（ AR）、超大屏幕顯示等應用對顯示器性能提出了更高的要求，我們需要發展更高性能的顯示技術。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 顯示發展，傳統 LED 照明行業的高速發展也有助于micro-LED效率的大幅度提高，這些都促使micro-LED顯示進入人們的視野。Micro-LED 顯示的效率、亮度、響應時間、可靠性都優于 LCD和 OLED 顯示技術，成為下一代顯示技術的優先選擇。Micro-LED 顯示技術在國際上已經有 20年的發展歷程，在國內的發展相對較晚，近五年來其逐步引起國內外研究者的高度重視，大量的研究機構和公司投入巨資研發 micro-LED顯示技術，隨著技術的成熟、規模化的生產、成本的降低，micro-LED 顯示技術必將很快成為顯示技術市場的重要組成部分。
該書的作者十余年來一直在 micro-LED技術領域工作，在micro-LED顯示基礎科學和關鍵技術領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用，多項成果在國內外產生較大影響。作者在本書中融入自身在micro-LED領域鉆研多年所取得的經驗和成果，分享從事該領域工作的心得體會。很高興應作者邀請為本書作序，也希望作者能夠繼續在 micro-LED領域精益求精，在未來取得更加豐碩的成果。
目前國內還缺乏與 micro-LED 顯示技術相關的專著，相信該書的出版不僅有助于激發該領域研究人員的研發興趣，而且有利于向大眾普及 micro-LED 顯示相關知識。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
光電顯示是人機交換信息的窗口,廣泛應用于手機，計算機、虛擬現實、增強現實等領域。基于第三代半導體材料氮化鎵的 micro-LED 新型顯示具有高發光效率、高亮度、響應時間短和可靠性好的優良特性，被行業譽為繼 LCD和OLED顯示的下一代顯示技術。近年來，micro-LED顯示成為一個熱門的研究方向，受到了國內外產業界和學術界的高度重視。
氮化鎵基 LED 照明技術的發展促進了LED 外延、芯片工藝、封裝技術的突飛猛進，這也有助于micro-LED技術的進步，然而micro-LED在外延生長、芯片制備、封裝、應用技術層面與照明 LED 技術具有本質的不同，需要從各個層面全方位地突破 micro-LED顯示技術，來實現 micro-LED 顯示的大規模商業化。并且，micro-LED除了顯示功能外，還在可見光通信、光電鑷子、生物醫學等領域具有獨特的優勢。目前，micro-LED技術是國際競爭關鍵科技焦點之一，中國也在"十四五"規劃中大力投入對 micro-LED技術的研究。
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。當前，筆者深刻感受到國內 micro-LED技術領域學術專著的缺乏，需要一本專業書籍幫助研究人員了解該領域的基礎知識和前沿動態，因此近年來筆者努力寫作一本能夠系統深入闡明micro-LED基礎科學問題、剖析關鍵技術 、總結前沿進展的書籍。
本書主要結合筆者在micro-LED領域長期的研究成果，也整理、歸納了國內外同行的優秀成果，系統介紹了micro-LED的關鍵技術。首先概括當前 micro-LED顯示的現狀、歷史和發展趨勢，描述 micro-LED器件的關鍵制備技術，然后詳細闡述micro-LED的尺寸效應、溫度效應、光譜特性、光提取效率、光電響應、可靠性等基礎科學問題，詳細深入論述了顯示驅動、全彩色顯示技術的重要進展，也介紹了 micro-LED在可見光通信、無掩模直寫、泵浦有機激光器、熒光壽命探測、光電鑷子、光遺傳學等領域的前沿應用。本書可供在相關領域從事教學和科研的工作者作為參考書，也可供對該領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了自己優秀的研究成果，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。感謝國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市揚帆計劃、復旦大學卓越人才計劃等的支持。
衷心希望本書能夠對 micro-LED領域的教學培訓、科學研究、產業發展有所幫助，為 micro-LED技術的發展貢獻微薄之力。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先驅愛丁堡皇家學會院士Martin Dawson，為國內最早開展micro-LED研究的科研人員之一，在micro-LED多個方面具有原創性的貢獻。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等期刊發表60余篇SCI論文。以第一和通信作者發表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；授權發明專利8項。主持國家重點研發計劃國合項目、國家自然科學基金面上項目和青年項目、上海市青年科技英才揚帆計劃、復旦大學“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、國家自然科學基金委等國內外機構報道，被諾貝爾獎得主評價首次系統研究了micro-LED的尺寸效應。
