《Micro-LED显示技术》
田朋飞 著
上海交通大学出版社
光电显示是人机交换信息的窗口，广泛应用于手机、计算机、虚拟现实、增强现实等领域。基于第三代半导体材料氮化镓的Micro-LED 新型显示具有高发光效率、高亮度、响应时间短和可靠性好的优良特性，被行业誉为继LCD和OLED显示的下一代显示技术。近年来，Micro-LED 显示成为一个热门的研究方向，受到了国内外产业界和学术界的高度重视。氮化镓基LED照明技术的发展促进了LED外延、芯片工艺、封装技术的突飞猛进，这也有助于LED技术的进步，然而Micro-LED 在外延生长、芯片制备、封装、应用技术层面与照明LED技术具有本质的不同，需要从各个层面全方位地突破Micro-LED显示技术，来实现Micro-LED显示的大规模商业化。并且，Micro-LED 除了显示功能外，还在可见光通信、光电镊子、生物医学等领域具有独特的优势。目前，Micro-LED技术是国际竞争关键科技焦点之一。但是过去几十年，在半导体显示方面的核心技术一直处于日韩等企业的垄断局面， micro-LED显示关键半导体材料是用的氮化镓，属于第三代半导体（也称为宽禁带半导体），不管从材料、制造以及装备，中国半导体显示行业都遭遇了外部的强大压力，为了解决半导体显示“卡脖子”问题，中国也在“十四五”规划中大力投入对Micro-LED技术的研究，中央和地方政府也密集出台政策支持新型显示核心技术的发展。上海交通大学出版社重磅推出《Micro-LED显示技术》一书，精彩内容一睹为快！
Micro-LED显示技术——政策导向
※2021年3月13日，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》发布，其中“集成电路”领域，特别提出碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体也就是行业人士关注的第三代半导体要取得发展。micro-LED显示关键半导体材料是用的氮化镓，属于第三代半导体（也称为宽禁带半导体）。
※2021年5月13日，国家重点研发计划启动实施“新型显示与战略性电子材料”重点专项。本重点专项总体目标是：面向国家产业安全、战略产品及重大工程建设需求，以满足关键领域重点电子材料急需为目标，突破新型显示产业应用关键核心技术，打通创新链，突破战略性电子材料制备与应用各环节的共性关键技术，保障我国信息、能源、交通、高端装备等领域核心电子材料和器件的自主供给。
※2021年7月6日，福建省政府发布《福建省“十四五”制造业高质量发展专项规划》，着力攻克OLED蒸镀工艺、彩色电子纸、Mini/Micro LED等一批关键技术，加快3D显示、激光显示等新型显示技术研发布局。
2021年7月21日，上海市人民政府办公厅于印发《上海市战略性新兴产业和先导产业发展“十四五”规划》，新型显示方面重点加大在AMOLED微显示、量子点等新技术领域上的布局。
2021年8月3日, 重庆市政府印发《重庆市制造业高质量发展“十四五”规划（2021—2025年）》（以下简称《规划》）。《规划》指出，重庆市将重点建设一批具有全国影响力的战略性新兴产业集群，涉及新一代信息技术、新能源及智能网联汽车、高端装备、新材料、生物技术和绿色环保6类产业。其中，新一代信息技术包括半导体、新型显示、新型智能终端、先进传感器及智能仪器仪表、新型电子元器件及软件。新型显示方面重点发展AMOLED、micro-LED等面板、模组及显示终端；基板玻璃、盖板玻璃等材料；激光显示、激光电视；4K/8K超高清电视内容。
2021年8月9日，广东省人民政府印发《广东省制造业高质量发展“十四五”规划》。规划涉及三大发展方向，一是谋划发展十大战略性支柱产业：新一代电子信息、绿色石化、智能家电、汽车、先进材料、现代轻工纺织、软件与信息服务、超高清视频显示、生物医药与健康、现代农业与食品。其中，在十大战略性支柱产业中，智能家电和超高清视频显示与LED照明和显示行业息息相关。规划显示，加快突破超高清视频 SoC (系统级) 芯片、数据传输芯片、高端CMOS (互补金属氧化物半导体) 图像传感器芯片等核心零部件。重点支持发展OLED、AMOLED、Micro-LED、QLED、印刷显示、量子点、柔性显示、石墨烯显示等新型显示技术。
《Micro-LED显示技术》独家解读
亮点一：助力未来颠覆性显示技术创新
Micro-LED显示技术作为下一代新型显示技术，将引领显示技术的创新发展。本书从Micro-LED显示的现状、历史和发展趋势以及Micro-LED器件的关键制备技术等方面对这种新型的显示技术做了较全面的论述。重点梳理了Micro-LED的尺寸效应、温度效应、光谱特性、光提取效率、光电响应、可靠性等基础科学问题的研究，详细深入论述了显示驱动、全彩色显示技术的重要进展，系统介绍了Micro-LED在可见光通信、无掩模直写、泵浦有机激光器、荧光寿命探测、光电镊子、光遗传学等领域的前沿应用。
亮点二：推动Micro-LED显示技术产业化发展
新型显示产业是国民经济发展的战略型产业，本书结合Micro-LED显示技术的性能特点、制造工艺流程和产业应用，分析了外延生长技术、芯片工艺流程、衬底剥离、键合、巨量转移、颜色转换、显示驱动等技术。通过显示产业材料、工艺设备、芯片制造、终端应用全产业链的上下游协同创新，快速突破 Micro-LED 量化生产关键技术，将提升 Micro-LED 的产业化技术能力，带来新一轮显示技术升级换代。
亮点三：探索Micro-LED前沿研究进展
随着micro-LED技术的发展，在未来的智能社会里，micro-LED将不仅仅局限于显示应用，其还将与光通信、医疗探测、智能车灯等应用领域结合，成为变革性的下一代显示技术。本书论述了micro-LED显示与可见光通信集成的智能micro-LED显示系统、micro-LED用于光电探测器和无线充电的新型系统，以及应用于无掩模光刻、泵浦有机激光器、荧光寿命探测、光电镊子、生物医学的前沿进展。
序 言
信息、能源与材料技术是构成现代人类文明的重要支柱。随着人工智能在现代社会的应用和发展，信息的获取、存储、传递、处理、输出日益重要，人类需要在人机界面中获得声音、图像、视频等信息，其中视觉信息是人类获取外部世界信息的主要方式，因此，信息显示技术成为国际上竞争激烈的关键技术。从材料发展的角度来看，第三代半导体材料对显示技术的发展影响重大，氮化镓基高效率白光发光二极管（ LED）作为背光源，促进了液晶显示器（LCD）的发展，大屏幕 LED 显示屏也使用了氮化镓基 LED作为显示屏的像素点，micro-LED显示更是得益于高效率半导体发光材料和器件技术的发展。Micro-LED 显示涉及信息显示、第三代半导体等多个领域，其具有产业链长、门槛高、挑战性大的特点，micro-LED 显示技术的商业化对我国掌握显示领域核心技术将起到重要作用。
目前，LCD和有机电致发光显示器（OLED）占据市场主导地位，它们主要应用于手机、电视、计算机等领域，但是人们对显示器性能的追求是无止境的，尤其是近年来虚拟现实（VR）、增强现实（ AR）、超大屏幕显示等应用对显示器性能提出了更高的要求，我们需要发展更高性能的显示技术。另外，超大尺寸小间距 LED 显示也在向具有更小间距的 mini-LED 显示以及micro-LED 显示发展，传统 LED 照明行业的高速发展也有助于micro-LED效率的大幅度提高，这些都促使micro-LED显示进入人们的视野。Micro-LED 显示的效率、亮度、响应时间、可靠性都优于 LCD和 OLED 显示技术，成为下一代显示技术的优先选择。Micro-LED 显示技术在国际上已经有 20年的发展历程，在国内的发展相对较晚，近五年来其逐步引起国内外研究者的高度重视，大量的研究机构和公司投入巨资研发 micro-LED显示技术，随着技术的成熟、规模化的生产、成本的降低，micro-LED 显示技术必将很快成为显示技术市场的重要组成部分。
该书的作者十余年来一直在 micro-LED技术领域工作，在micro-LED显示基础科学和关键技术领域做出了一系列卓有成效的工作，并探索了micro-LED在可见光通信等方面的应用，多项成果在国内外产生较大影响。作者在本书中融入自身在micro-LED领域钻研多年所取得的经验和成果，分享从事该领域工作的心得体会。很高兴应作者邀请为本书作序，也希望作者能够继续在 micro-LED领域精益求精，在未来取得更加丰硕的成果。
目前国内还缺乏与 micro-LED 显示技术相关的专著，相信该书的出版不仅有助于激发该领域研究人员的研发兴趣，而且有利于向大众普及 micro-LED 显示相关知识。衷心希望本书对每一位读者能有所帮助。
张荣
2021年2月
前 言
光电显示是人机交换信息的窗口,广泛应用于手机，计算机、虚拟现实、增强现实等领域。基于第三代半导体材料氮化镓的 micro-LED 新型显示具有高发光效率、高亮度、响应时间短和可靠性好的优良特性，被行业誉为继 LCD和OLED显示的下一代显示技术。近年来，micro-LED显示成为一个热门的研究方向，受到了国内外产业界和学术界的高度重视。
氮化镓基 LED 照明技术的发展促进了LED 外延、芯片工艺、封装技术的突飞猛进，这也有助于micro-LED技术的进步，然而micro-LED在外延生长、芯片制备、封装、应用技术层面与照明 LED 技术具有本质的不同，需要从各个层面全方位地突破 micro-LED显示技术，来实现 micro-LED 显示的大规模商业化。并且，micro-LED除了显示功能外，还在可见光通信、光电镊子、生物医学等领域具有独特的优势。目前，micro-LED技术是国际竞争关键科技焦点之一，中国也在"十四五"规划中大力投入对 micro-LED技术的研究。
笔者从在英国攻读博士开始，十余年来致力于 micro-LED技术的研究，主持和参与micro-LED 显示、micro-LED可见光通信等多个研究项目。当前，笔者深刻感受到国内 micro-LED技术领域学术专著的缺乏，需要一本专业书籍帮助研究人员了解该领域的基础知识和前沿动态，因此近年来笔者努力写作一本能够系统深入阐明micro-LED基础科学问题、剖析关键技术 、总结前沿进展的书籍。
本书主要结合笔者在micro-LED领域长期的研究成果，也整理、归纳了国内外同行的优秀成果，系统介绍了micro-LED的关键技术。首先概括当前 micro-LED显示的现状、历史和发展趋势，描述 micro-LED器件的关键制备技术，然后详细阐述micro-LED的尺寸效应、温度效应、光谱特性、光提取效率、光电响应、可靠性等基础科学问题，详细深入论述了显示驱动、全彩色显示技术的重要进展，也介绍了 micro-LED在可见光通信、无掩模直写、泵浦有机激光器、荧光寿命探测、光电镊子、光遗传学等领域的前沿应用。本书可供在相关领域从事教学和科研的工作者作为参考书，也可供对该领域感兴趣的读者参考。
笔者所在课题组多位老师和研究生在本书的编写过程中贡献了自己优秀的研究成果，袁泽兴、朱世杰、林润泽、单心怡、汪舟、钱泽渊等在协助本书的资料整理、文字校对方面做出了辛勤的努力。感谢 Martin Dawson、顾而丹教授长期对笔者开展micro-LED前沿研究的帮助和支持。感谢国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市扬帆计划、复旦大学卓越人才计划等的支持。
衷心希望本书能够对 micro-LED领域的教学培训、科学研究、产业发展有所帮助，为 micro-LED技术的发展贡献微薄之力。由于笔者水平和时间所限，本书难免有不足和疏漏之处，敬请各位专家和读者批评指正。
田朋飞
2021年1月
作者简介
田朋飞，长期致力于氮化镓基micro-LED器件研究，师从micro-LED先驱爱丁堡皇家学会院士Martin Dawson，为国内最早开展micro-LED研究的科研人员之一，在micro-LED多个方面具有原创性的贡献。自2007年至今从事micro-LED显示、可见光通信、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等期刊发表60余篇SCI论文。以第一和通信作者发表SCI论文33篇，其中1篇ESI高被引论文、2篇邀请SCI综述、2篇most popular论文等；发表会议论文/报告50余篇，其中邀请报告10余次；出版5部专著；授权发明专利8项。主持国家重点研发计划国合项目、国家自然科学基金面上项目和青年项目、上海市青年科技英才扬帆计划、复旦大学“卓越2025”人才培育计划等15项项目。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、国家自然科学基金委等国内外机构报道，被诺贝尔奖得主评价首次系统研究了micro-LED的尺寸效应。
