總的來說，在包括高質(zhì)量半導(dǎo)體照明、Micro-LED顯示、可見光通信、柔性顯示和植入式生物醫(yī)療等應(yīng)用場景，LED器件本身面臨發(fā)光側(cè)壁效應(yīng)、發(fā)光光譜半高寬、柔性制造和可靠性、發(fā)光光束、發(fā)光調(diào)制速率、集成系統(tǒng)、顯色性和效率等問題和挑戰(zhàn)。
1.問題和挑戰(zhàn)-1：Micro-LED 側(cè)壁效應(yīng)
傳統(tǒng)LED面積比較大，其具有數(shù)十微米的邊緣側(cè)壁，側(cè)壁效應(yīng)中并不重要。Micro-LED尺寸非常小，側(cè)壁效應(yīng)顯著甚至是致命的。Micro led制作過程中的干法蝕刻會(huì)引入很多的側(cè)壁缺陷，會(huì)成為表面復(fù)合和非輻射復(fù)合的通道，導(dǎo)致發(fā)光效率降低和發(fā)光均勻性等問題。下圖來自河北工業(yè)大學(xué)張紫輝教授的optics express文章，可以看出，當(dāng)傳統(tǒng)LED和Micro LED具有絕對面積一樣的側(cè)壁時(shí)，micro led的效率會(huì)急劇降低。
Micro LED的峰值效率通常低于10%，而Micro LED通常必須以非常低的電流密度運(yùn)行,所以Micro LED效率非常低，功耗比例大。提高效率的辦法包括引入新的Micro LED芯片設(shè)計(jì),使得Micro LED在額定工作電流下可以具有比較高的效率，另外要改進(jìn)Micro LED制造技術(shù)，包括刻蝕工藝優(yōu)化，表面鈍化層沉積等。
2.問題和挑戰(zhàn)-2 ：Micro-LED光束調(diào)控
LED 光為近似朗伯光源，它的發(fā)光輻射強(qiáng)度和亮度等呈現(xiàn)瑯勃分布規(guī)律。隨著Micro LED像素縮小，側(cè)壁面積占整體表面積比增大，側(cè)壁發(fā)光占據(jù)很大成分，不可忽視。在Micro顯示中影響比較大，會(huì)帶來比較大的串?dāng)_效應(yīng)：（1）RGB三芯片彩色化中，Micro LED像素單元發(fā)光會(huì)串?dāng)_到相鄰像素，而此像素LED可能為關(guān)閉的，這就會(huì)影響相鄰像素的黑色水平，因?yàn)槔硐肭闆r此像素是完全關(guān)閉不發(fā)光顯示的，從而影響顯示的對比度，黑色水平；（2）對光致熒光（QD)彩色化Micro LED顯示來說，同一個(gè)像素單元的比如藍(lán)光Micro LED發(fā)光可能會(huì)激發(fā)同一像素里的紅綠色熒光粉，降低顯示的色純度、飽和度等。Micro LED 光束調(diào)控不僅包括Micro LED本身發(fā)光光束的調(diào)控，也包括光致彩色光的光束調(diào)控和管理。
Micro LED 顯示與 LED-LCD，QD-LCD，或薄膜OLED， QD LED主動(dòng)發(fā)光均不同，適合點(diǎn)陣式Micro LED 顯示的光束調(diào)控（非相干光波動(dòng)光學(xué)調(diào)控、朗伯光源幾何光學(xué)調(diào)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，如側(cè)壁反射膜，圍壩等）。LED的光譜半高寬有20nm左右，在時(shí)域和頻域是非相干的；空間出光瑯勃分布，在空間也是非相干的。現(xiàn)在研究比較多的metasurface等一般是基于相干光的激光的光束整形，即beam shaping, 對非相關(guān)LED光的metasurface，共振腔等波動(dòng)光學(xué)調(diào)控還需要進(jìn)行探索和研究。幾何光學(xué)調(diào)控主要是芯片的塑形，Micro LED芯片主要是矩形的，基于矩形的比如側(cè)壁塑形，甚至不同形狀芯片，比如六邊形、三角形等將對它的光束光場分布產(chǎn)生影響，并且產(chǎn)生的效果和傳統(tǒng)LED不太一樣的效果。Micro LED芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，包括幾何光學(xué)的一些比如側(cè)壁塑形，也包括比如側(cè)壁反射鏡，底部反射鏡等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造。臺灣交通大學(xué)郭浩中教授在photonics research 上報(bào)道了基于光刻膠的圍壩結(jié)構(gòu)和工藝，就是在Micro LED芯片周圍噴涂一圈光刻膠，吸收側(cè)壁發(fā)出的光，從而降低像素串?dāng)_。Micro LED芯片的光束調(diào)控和用于顯示的串?dāng)_因素可能還同具體的Micro LED芯片結(jié)構(gòu)、尺寸以及Micro LED陣列的間距等相關(guān)。LED外延材料差不多6-10微米厚，當(dāng)前Micro LED尺寸可以到10微米甚至以下，Micro LED芯片的尺寸和厚度相當(dāng)，而一般藍(lán)寶石襯底在100微米以上，Micro LED芯片用于Micro LED顯示還是必然要把藍(lán)寶石襯底去除，一般是通過倒裝或者垂直結(jié)構(gòu)LED，再激光剝離，這樣就把芯片有源層倒置在下面了，也就是有源層離表面有芯片的厚度，6-10微米厚。在越小間距情況下，相鄰像素和像素內(nèi)不同色彩單元的串?dāng)_，相比有源區(qū)如果在芯片頂部的話會(huì)越嚴(yán)重。這是Micro LED芯片和尺寸，間距的可能影響。
3.問題和挑戰(zhàn)-3： Micro-LED發(fā)光調(diào)制速率
Micro LED面試具有快速切換能力，由于載流子復(fù)合壽命ns級別（300MHz），相比OLED μs提高。但5G+4K 顯示和可見光通信應(yīng)用仍需進(jìn)一步提高；目前可見光通信Micro LED極高電流密度（KA/cm2）獲得小的差分載流子壽命（效率低，散熱難，實(shí)際應(yīng)用認(rèn)為不可?。?。
影響GaN LED發(fā)光調(diào)制速率的因素有：
（1）材料：GaN/InGaN量子阱壓電極化場，使電子和空穴分開?？梢酝ㄟ^生長半極性、非極性材料來去除量子阱壓電極化場，也可以通過制造微納結(jié)構(gòu)LED，釋放材料應(yīng)力，從而量子阱壓電極化場來實(shí)現(xiàn)。（2）器件：常規(guī)大面積器件（200μm)大的電容，存在RC效應(yīng)?？梢酝ㄟ^減小LED面積，從而減小電容來減小RC效應(yīng)，即Micro-LED。（3）白光LED器件存在斯托克斯轉(zhuǎn)換慢，熒光發(fā)光慢問題?？梢酝ㄟ^開發(fā)采用新型熒光材料，如QD、Conjure polymer或者采用三色LED來克服，但是在照明質(zhì)量方面需要優(yōu)化提高。（4）Purcell效應(yīng)（光學(xué)共振腔、等離激元）利用。（5）激光器、超輻射二極管通信（不同于Micro-LED，有電流閾值，電流密度高）。
另外，可以通過利用purcell效應(yīng)來提高發(fā)光效率和調(diào)制速率。Purcell效應(yīng)告訴我們，物質(zhì)的發(fā)光性能不僅僅由物質(zhì)本身性質(zhì)決定，同時(shí)也受到環(huán)境模式太密度的影響。基于此，可以設(shè)計(jì)人工結(jié)構(gòu)，比如共振強(qiáng)和金屬等離激元來提高LED發(fā)光調(diào)制速率。金屬等離激元是由于具有很小的模式體積，而共振腔的品質(zhì)因子很高。南京大學(xué)劉斌教授課題組在等離激元增強(qiáng)發(fā)光方面做了很多漂亮的工作。但也正由于等離激元的模式體積小的特點(diǎn)，使得它的作用距離比較短，需要使金屬等離激元離有源區(qū)的距離比較近，這會(huì)增加器件短路的風(fēng)險(xiǎn)。另外，金屬本身會(huì)使發(fā)光quench, 因此需要平衡purcell增強(qiáng)和發(fā)光quench兩方面的因素?；诩す馄?、超輻射二極管可見光通信有不少報(bào)道，光源帶寬和通信速率得到極大增強(qiáng)，但是激光器、超輻射二極管都存在電流閾值，工作電流密度高，同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光照面積大小，人體潛在危害性比較大。LED在這方面具有優(yōu)勢。
4.問題和挑戰(zhàn)-4：Micro-LED發(fā)光光譜半高寬
Micro-LED發(fā)光半高寬會(huì)影響Micro LED顯示的對比度。對于RGB三芯片彩色化：Micro LED發(fā)光半高寬影響顯示色閾、色純度；光致熒光（QD)彩色化：Micro LED發(fā)光影響藍(lán)色色閾。雖然Micro LED發(fā)光半高寬目前為20nm左右，能有一個(gè)比較好的顯示效果。但是進(jìn)一步提高顯示閾值和色純度等，還需要降低半高寬。可能有人會(huì)覺得直接用激光器就是，因?yàn)榧す馄骶哂袠O窄的半高寬，但是Micro LED結(jié)構(gòu)簡單，沒有電流驅(qū)動(dòng)閾值?；诩す庑酒腄MD投影和電視最近有很多產(chǎn)品，包括海信等，但是也有他的問題，而且和Micro LED顯示是完全不同的技術(shù)路線了。而激光芯片直接像素顯示似乎無人報(bào)道，技術(shù)難度，功耗，驅(qū)動(dòng)控制等問題很大。另外，Micro LED顯示單像素點(diǎn)的亮度并不需要很大，所以激光的高強(qiáng)度并無必要。
5.問題和挑戰(zhàn)-5：柔性制造和可靠性
柔性Micro LED在柔性顯示、植入式生物醫(yī)療等有潛在應(yīng)用。柔性顯示目前應(yīng)用基本上是基于有機(jī)AMOLED材料和技術(shù)。美國西北大學(xué)John Rogers組，通過Laser lift off和Transfer Printing, 將Micro LED在柔性顯示、植入式生物醫(yī)療。但是正如在巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)中討論的，需要將GaN/襯底界面先底切蝕刻，才能實(shí)行轉(zhuǎn)印。而GaN/襯底界面是比較難以蝕刻的，這增加了柔性制造和轉(zhuǎn)移的困難以及可靠性，成功率和工藝復(fù)雜性。iBeam Materials公司報(bào)道了基于金屬薄膜襯底的直接外延生長（GaN-on-Metal），制造柔性LED。但是并無更多的相關(guān)LED質(zhì)量，良率等方面的繼續(xù)報(bào)道。總之，柔性LED和Micro存在制造工藝復(fù)雜性、可靠性、效率和良率等問題。
6.問題和挑戰(zhàn)-6：發(fā)光效率和顯色性
這里發(fā)光效率指白光LED的流明效率。半導(dǎo)體照明經(jīng)過快速的發(fā)展，其發(fā)光效率已經(jīng)可以達(dá)到250lm/W以上。隨著進(jìn)一步的深化和要求提高，半導(dǎo)體照明的質(zhì)量要求也在提高，包括顯色性，色溫等。
但是白光LED發(fā)光效率和顯色性存在平衡矛盾：人眼峰值相應(yīng)550nm，理論上在此波長下可以獲得最大的發(fā)光效率，但是提高 CRI需要擴(kuò)展光譜, 而這將降低發(fā)光效率。如何降低白光LED發(fā)光效率droop，如何在維持甚至提高其顯色指數(shù)下提高發(fā)光效率是個(gè)需要探討研究的問題。
7.問題和挑戰(zhàn)-7：LED光電/光系統(tǒng)集成
LED光電/光系統(tǒng)集成對本身LED器件的結(jié)構(gòu)性能等提出要求。LED光電/光系統(tǒng)集成包括照明、顯示和光通信的功能集成，如顯通、照通、顯照甚至顯照通，高效高顯色性、高分辨率高對比度和高速寬帶寬的性能集成，大功率、高密度和高頻驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)集成；GaN 材料和Si等材料的異質(zhì)材料集成，GaN LED和Si CMOS、GaN HEMT等功能單芯片集成，三維/曲面/柔性異質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)集成，GaN LED和探測器、光波導(dǎo)等片上光通信集成。
