微型發光二極管（Micro-LED）具有較好的穩定性，是當前高亮顯示應用的最佳選擇，其具有高對比度、低響應時間、寬工作溫區、低能耗和廣視角等優勢，成為當前產業界和學術界比較看好的新型顯示技術。本文綜述了Micro-LED新型顯示技術的原理，對比其與現有技術的性能，并從材料、器件、集成和成本良率等角度探討了關鍵技術挑戰。未來3~5年內，Micro-LED顯示技術仍然會在材料、器件、集成等方面存在技術創新和重大突破的關鍵機會，支撐未來顯示產業發展，也是中國科技創新引領全球的一次重要科技革命。建議鼓勵創新，通過產學研合作解決關鍵問題，并引導產業遵循技術發展和商業發展規律。

顯示技術是將信息轉換為可視化圖案信號并通過輸出設備呈現的信息技術。從1897年陰極射線管（CRT）發明并于1922年商業化，到1954年彩色CRT出現并成為主流，再到2000年被液晶顯示（LCD）技術取代。LCD技術是目前最成熟、產業鏈最完整的主流顯示技術，已廣泛應用于多種電子產品。然而，LCD依靠背光模組發光，液晶本身不發光，光亮度損失大，電光轉換效率低、能耗大，且液晶響應速度多在毫秒級別，對快速運動圖像可能出現輕微拖尾現象。

為解決這些問題，科研人員探索主動自發光技術，有機發光二極管（OLED）和微發光二極管（Micro-LED）技術是其中的代表技術。OLED顯示技術已從實驗室走向市場，但由于亮度有限和壽命問題，仍需解決。Micro-LED采用無機化合物半導體材料，具有非常好的穩定性，壽命顯著長于OLED，亮度可達100萬~1000萬cd/m2，成為高亮顯示應用的最佳選擇（圖1）。

圖片來源：Yole Development公司的《Micro-LED技術與市場報告》

圖1 Micro-LED主要應用領域示意

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Micro-LED顯示技術概述

1.1 Micro-LED顯示技術原理

Micro-LED顯示技術利用Micro-LED器件構成獨立像素單元，由驅動電路獨立控制每個像素單元發光形成圖像。Micro-LED器件基本結構與傳統照明芯片相似，外延結構包括n型半導體層、有源區量子阱和p型半導體層。為實現全彩顯示，每個像素單元需由紅綠藍（RGB）三色芯片構成，全彩化主要有2種技術路線：直接采用紅綠藍三色芯片和采用色轉換原理。

1.2 Micro-LED與傳統LCD、OLED等顯示技術的對比分析

1）環境對比度：Micro-LED在各種環境光照下均表現出最高的環境對比度，而OLED的環境對比度隨環境光亮度增強而快速下降。

2）運動圖像響應時間：Micro-LED和OLED的幀率時間遠大于像素響應時間，因此在運動圖像響應時間方面相當。LCD通過特殊設計也可將響應時間降低到與Micro-LED和OLED相當的水平。

3）色域：采用RGB芯片的Micro-LED顯示色域約占Rec.2020的80%，LCD采用量子點等窄線寬色轉換材料時色域約占84%，OLED采用諧振腔結構，色域可占90%，需降低綠光Micro-LED的譜線寬度。

4）效率和功耗：OLED總體發光效率略高于Micro-LED芯片，但隨著Micro-LED芯片尺寸下降，其效率逐漸下降，導致功耗問題成為Micro-LED顯示面臨的重要技術問題。

5）成本：LCD顯示技術最為成熟，成本最低；OLED成本已控制在合理范圍內；而Micro-LED處在商用化初期，受限于巨量轉移良率，目前成本顯著高于OLED和LCD顯示屏。

1.3 Micro-LED應用領域及其對像素密度要求

Micro-LED的芯片尺寸取決于應用場景。，增強現實眼鏡離人眼距離約1~3cm，因此，對應的最大像素密度為2910~8731PPI，像素間距為3~8μm；而智能手表或手機的工作視距為20~30cm，所以最大像素密度為291~437PPI，像素間距為58~87μm。

1.4 Micro-LED顯示關鍵制造工藝

Micro-LED顯示面板的制造工藝涵蓋從基礎材料、關鍵器件到系統集成的復雜技術鏈，主要包括Micro-LED材料外延、器件制備、與驅動基板集成等步驟。

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Micro-LED顯示技術的關鍵挑戰和發展現狀

2.1 技術研發歷程

Micro-LED的器件概念于2000年提出，最初面向氮化鎵基藍光LED的固態照明技術。2001年，首個無源10×10氮化鎵基藍光Micro-LED顯示陣列原型被提出。2011年，通過硅CMOS集成電路驅動實現了640×480的顯示面陣，并能播放視頻圖像。2012年，索尼公司發布首臺大屏Micro-LED電視機。自此之后，Micro-LED顯示技術迎來快速發展。

2.2 Micro-LED顯示技術的關鍵挑戰

1）材料層面：Micro-LED芯片對材料缺陷敏感，異質外延過程中降低缺陷密度是關鍵挑戰；芯片波長均勻性影響顯示效果，從外延晶圓層面提高波長均勻性是關鍵挑戰。此外，紅光芯片效率問題尤為突出，當前氮化物Micro-LED芯片發光效率與藍綠光差距較大。

2）器件層面：Micro-LED芯片受“尺寸效應”影響，發光效率隨芯片尺寸降低而下降。這主要是由于刻蝕工藝在芯片側壁引入刻蝕缺陷所致。

3）集成層面：在與驅動電路基板集成方面，巨量轉移方案存在芯片碎裂、黏附性降低和倒裝對準鍵合漏焊等問題；晶圓級鍵合方案存在熱失配和受力不均等問題。在Micro-LED紅綠藍三色芯片集成方面，采用三色芯片時磷化物材料易碎裂，采用量子點色轉換芯片時面臨量子點大規模圖形化和光串擾問題。

4）成本和良率：Micro-LED制造工藝復雜，涉及材料、器件和集成等諸多環節。目前制約Micro-LED顯示良率主要在集成環節，工藝成熟度不高導致成本居高不下。

2.3 國內外技術研究進展和現狀

針對技術挑戰，國內外研究機構和企業對Micro-LED技術鏈進行了全方位探索。在紅光芯片問題上，目前產業界和學術界正在探索III族氮化物材料的紅光芯片技術，已成功將發光波長拓展到620nm以上，但效率和半峰寬仍有待進一步改善。在器件制造上，主流像素化方法是通過干法刻蝕臺面形成像素隔離，并通過濕法腐蝕去除刻蝕損傷。在系統集成上，研究人員發展了新型二維半導體材料晶體管驅動技術，并實現與Micro-LED像素單元的單片異質集成。在產業化上，Micro-LED顯示最先落地的產品可能是手表和車載顯示，隨后可能是增強現實虛擬現實等近眼顯示設備。

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Micro-LED顯示技術的發展趨勢展望

3.1 Micro-LED前沿技術發展趨勢

在未來3~5年內，Micro-LED顯示技術仍將在材料、器件、集成等技術方面存在技術創新和重大突破的關鍵機會。從材料上來說，需大幅提升紅光Micro-LED芯片效率。從規模化制造角度上講，晶圓尺寸將逐步增大，同時需改善外延材料的均勻性、缺陷、翹曲等工程性問題。從器件制程工藝上講，需優化低損傷刻蝕、側壁損傷修復和側壁鈍化等方面。在集成工藝方面，巨量轉移技術是重點發展方向，與硅基CMOS的單片集成方案是近眼顯示設備的主要技術路線，8英寸以上Micro-LED晶圓與硅CMOS鍵合集成將成為主流。在集成方式上，三色芯片可能從水平集成向垂直集成發展。

3.2 國內外市場競爭格局與機遇分析

Micro-LED顯示作為下一代主流顯示技術的重要選擇，在眾多細分顯示領域均有替代現有技術的潛力。國內已具備完整的Micro-LED技術產業鏈，包括上游的芯片制造和巨量轉移技術能力。對于中游面板制造而言，主流技術仍然是TFT驅動和CMOS驅動2大類。在下游的整機應用方面，小尺寸穿戴顯示電子設備、增強現實和虛擬現實近眼顯示、車載顯示等市場潛力巨大。

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Micro-LED產業發展建議

顯示產業是中國重要的經濟支柱，Micro-LED新型顯示技術是下一代顯示技術的重要方向，中國有能力搶占創新高地，開拓應用市場。

當前Micro-LED新型顯示技術處于市場爆發前期，技術創新至關重要。政府應鼓勵創新，扶持中小型企業，營造良好科技創新環境，鼓勵產學研合作解決關鍵問題，合理布局產業鏈，避免資源浪費。

從產業長遠發展來看，政府應主要以引導為主，應該發揮市場和社會資本的作用，遵循技術和商業發展規律，避免產能過剩，促進產業健康有序發展。在國際競爭中，要積極布局國際發明專利，參與國際標準制定，提升技術和產品競爭力以及行業話語權。盡管Micro-LED顯示面臨諸多技術挑戰，但在全球科技工作者的協作下，有望在消費級電子設備等細分市場實現突破，隨著增強現實等近眼顯示設備的推出，Micro-LED顯示產業市場有望迎來爆發式增長。

作者簡介： 莊喆，南京大學江蘇省第三代半導體與高能效器件重點實驗室，南京大學集成電路學院，助理教授，研究方向為寬禁帶半導體材料與器件；劉斌（通信作者），南京大學江蘇省第三代半導體與高能效器件重點實驗室，南京大學電子科學與工程學院，教授，研究方向為寬禁帶半導體材料與器件。

論文全文發表于《科技導報》2025年第2期，原標題為《Micro-LED新型顯示技術的現狀、挑戰及展望》，本文有刪減，歡迎訂閱查看。

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