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十大led技术：Mini-LED, Micro-OLED, and Micro-LED
相比于传统的显示技术，微型显示器作为许多新型显示设备的核心部件，例如扩展现实（XR）、抬头显示器（HUD），在感测和光通讯装置上也显示出巨大的潜力。然而，当前技术的不完善确实限制了整个市场的进步
最近，香港城市大学的何志浩教授与鸿海研究院半导体研究所的郭浩中教授在《Advanced Optical Materials》发表了一篇针对微型显示器的文章，进行了全面的技术和前景分析。
实现微型显示器有多种技术路径，包括Mini-LED、Micro-OLED、Micro-LED和QD Micro-LED，它们各有优势和劣势，但都处于不同的发展阶段。
Mini-LED
图一：Mini-LED结构图
Mini-LED主要用作液晶显示器（LCD）的背光源，其尺寸比传统的LED小，可可以实现更精细的背光调整，从而提供更高的对比度和动态范围。Mini-LED保持了LCD的基本架构，包括偏光层、液晶层和滤光片。因此，使用Mini-LED的微型显示器能充分利用LCD技术的优点，如成熟的生产流程、低廉的成本以及高质量的图像表现。市场上已经有多种相关产品可供选择。但同时，它也继承了LCD的缺点，如颜色饱和度和响应时间稍显不足。
表一列出了一些提升Mini-LED性能的方法。
一些优化Mini-LED性能的方法包括使用功能性薄膜或微透镜阵列结构来增加光萃取或光扩散性能，提升显示器的亮度、均匀度和视角；以及通过使用SiO2/石墨双层结构的消光层来降低环境光反射并增强明室对比度。为了缓解光晕效应，一些设计已通过调整像素和薄膜晶体管的面积比例成功减少光线从亮区泄露到暗区。此外，量子棒也可优化现有的偏光材料，提高亮度并改善能耗。
图二：透过二色性反射镜防止红绿光往反方向发射
Micro-OLED
图三：Micro-OLED结构图
Micro-OLED是一种自发光设备，利用硅基OLED（OLEDoS）技术，将互补式金属氧化物半导体（CMOS）和Oled显示屏融为一体，然后通过特殊的图案化方法制作出微米级的全色像素。Micro-OLED像素具有自发光特性，无需背光源，因此在光学性能上表现卓越。但其结构相对复杂，且需要对有机材料进行保护，以防止水分和氧气的侵蚀，所以在性能方面有所妥协。
表二列出了一些提升Micro-OLED性能的方法。
为了在相同电流密度下提升Micro-OLED的亮度，有许多方法包括优化光学设计以提高光萃取效率以及在发光组件上方采用更透明的设计。在可靠性方面，也可以通过热管理、器件设计（电子传输层和空穴传输层的厚度优化），或者使用层叠式结构，使亮度增加而不增加电流密度。
图四：直接发光及通过滤光层发光器件的光学性能对比
Micro-LED
图五：Micro-LED及QD-Micro-LED结构图
Micro-LED也是自发光设备，结合了前两者的优点，包括优秀的光学性能和稳定性。同时，其结构更为简洁，在不同的应用场景下更有弹性。但是，Micro-LED在材料和工艺上尚未完全成熟，导致成本过高且性能尚未被完全发掘。
表三列出了一些提升Micro-LED性能的方法。
首先，为了进一步提升亮度、能耗等性能，Micro-LED的效率必须得到提升。当Micro-LED晶体缩小到一定尺寸，侧壁存有缺陷的比例会大幅提高并降低内部量子效率（IQE）。目前比较有效的方法包括对器件进行钝化处理，例如使用原子层沉积法（ALD）。为了从根本上减少缺陷，可以透过选用较稳定的材料（红光InGaN），或者使用中子束刻蚀法（NBE），将制程中产生的缺陷降到最低。
图六：(a,b)ALD钝化，(c,d)NBE刻蚀的结构，及其外部量子效率变化
全彩显示器可以透过巨量转移，包括图七所展示的弹性体印章、激光、流体自主装及卷对卷等、色转换的方法制造。但同时也可以通过可调色Micro-LED晶体达成。例如利用多量子阱结构（MQWs）、纳米棒数组、或结构缺陷（例如V型凹槽、多孔结构）等方法，在一定的电压或电流范围内能发出全可见光光谱的颜色。
图七：常见巨量转移方法
QD-Microled
由于Micro-LED的量产化仍较为困难，目前更成熟的技术是配合量子点（QD）技术进行色转换的QD-Micro-LED。它能以紫外或深蓝色的Micro-LED光源作为激发源，经过转化后变为理想的颜色。但QD-Micro-LED的可靠性较差，并且在光学性能上不如LED出色。
表四列出了一些提升QD-Micro-LED性能的方法。
为提升量子点的转换效率，可以透过优化色转换层的光路，比如利用纳米多孔结构增加光反弹次数，减少光自由程；或者透过反射结构回收未经转换的蓝光，尽可能让激发光被吸收而不需增加色转换层厚度。
而为了增加QD-Micro-LED的可靠性，可以透过在量子点外包覆保护层，或通过ALD、PECVD等手段进行更好的封装，以防止水解。同时器件也需要更好的散热性能，比如在周围结构上使用高导热性能的材料，采用液态或液态/固态双相量子点材料以及改进量子点自身的性能令QD-Micro-LED的使用寿命延长。
展望
图八：各显示技术的性能矩阵以及应用场景的性能要求
在目前的技术条件下，Mini-LED技术显然是最成熟的，具有成本和可靠性的优势。虽然在光学性能上有所不足，但在各种可穿戴设备中依然占据一席之地。Micro-OLED的技术也在逐渐成熟，尤其在一些对图像解析度要求高的场景中，已经看到了Micro-OLED的应用。然而，由于亮度和响应速度的限制，Micro-OLED更适合用于需要高解析度、色彩表现但不需超高亮度的VR设备。而Micro-LED则更适合用于AR或HUD显示。虽然其在工艺方面的不完善导致Micro-LED的成本过高，但其亮度、可靠性以及响应时间符合上述应用的要求，因此，这项技术在未来成熟后将具有更大的市场潜力。
