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近期，韩国科学技术院（KAIST）电气工程系的 Kim Sang-hyun（金尚贤）教授团队开发出一种既具备超高分辨率又可大幅降低功耗的红色 Micro-LED 显示技术。

不同于传统工艺需要将数百万个微小的 LED 逐个进行机械转移和对准，团队采用单片 3D 集成技术，直接将 LED 外延层整体 " 堆叠 " 在硅基驱动电路上，实现了高达 1700PPI（像素每英寸）的红色有源矩阵显示屏。这项新技术消除了以往机械对准的误差，大幅降低了制造缺陷率，使得未来生产超高分辨率的显示屏成为可能。

该项目是与仁荷大学 Keum Dae-myung（琴大明）教授、化合物半导体制造商 QSI 以及微显示和半导体 SoC 设计公司 Raontech 合作完成的。相关研究成果已于 20 日在国际学术期刊《自然 · 电子学》（Nature Electronics）上发表。

这个研究成果具体厉害在哪儿呢？这要从 micro-LED 技术的局限说起。

Micro-LED 被誉为下一代显示技术，其特点是单个发光体比一根头发丝还小，并且能够实现自发光。但是，在 Micro-LED 显示所需的红、绿、蓝三原色中，红色一直是实现难度最大的组件。

在红色 micro-LED 领域，这些通常由 AlGaInP/GaInP 材料制成的组件，一直受困于低量子效率。而且随着像素尺寸的缩小，其性能会进一步恶化。对于需要高像素密度的应用（如下一代显示屏），这些限制成为了实现理想性能水平的重大障碍。鉴于这些挑战，对创新方法的需求变得显而易见。

另一个障碍则是转移工艺的局限性。传统方法需要在驱动电路和发光二极管（LED）像素之间进行精密的机械对准，这一要求对成本和制造效率都构成了限制。很难实现超高分辨率，并且会导致很高的缺陷率。

Kim Sang-hyun 教授的这项研究通过使用基于新型外延 AlInP/GaInP 双量子阱结构的 micro-LED 实现了高达 1700PPI（像素每英寸）的红色有源矩阵显示屏，是目前顶级智能手机屏幕的 3-4 倍，能够提供 " 近现实 " 的视觉体验。

这种结构相当于在发光层中建立了一个 " 能量壁垒 "，将电子牢牢限制在发光区域内，防止其逃逸，从而在极小的像素尺寸下依然保持高发光效率。

有趣的是，这些 micro-LED 与硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路耦合。micro-LED 与驱动电路之间的协同作用增强了显示屏的性能和多功能性，为视觉技术开辟了前所未有的可能性。

基于单片 3D 堆叠硅基 CMOS 的微显示屏的横截面扫描电子显微镜图像（左）与工作状态图像（右），图源：KAIST

这些 micro-LED 性能的核心在于其内部量子效率，该效率在较低电流密度（特别是低于 10 A cm ⁻ ²）下非常高。这种效率归功于一种利用空穴主导量子阱的设计。通过有效减少非辐射复合过程（特别是由电子横向扩散引起的 Shockley-Read-Hall 复合），即使在像素尺寸缩小的情况下，也能维持整体效率。

此外，新设计巧妙地在量子阱中引入了厚度波动散射。这种创新方法有助于最小化在缩小红色 micro-LED 尺寸时通常发生的、随尺寸变化的量子效率偏移。其结果是在一系列像素尺寸下实现了更稳健的性能，有效地允许制造商在保持有效亮度和输出质量的同时，突破像素密度的界限。

说到这有人要问了：新技术很厉害，然后呢？

首先，这项进步的影响是深远的。鉴于显示技术领域正在快速演变，能够制造出具有最小化机械对准挑战和增强量子效率的高密度显示屏，可能会在消费电子领域催生新的产品类别。

其次，随着研究的进展，我们可能还会见证这些 micro-LED 所用材料和结构的进一步完善，这些技术的集成可以带来更紧凑、更节能的显示屏。这不仅有利于新的消费级产品诞生，还将增强那些需要高性能显示屏的行业（如医学成像和高级可视化系统）的应用。

最后，该领域的发展代表了实现更可靠、更多功能显示技术的关键一步。我们正逐步接近实现那些以前被认为是幻想的显示屏，这些显示屏将以以前无法想象的方式吸引和打动观众。

想象一下，micro-LED 技术中可实现的极限被重新定义，智能手机和电视能够以前所未有的细节和丰富度展示视觉内容，更高清的 AR/VR 智能眼镜、车载抬头显示器（HUD）将会出现。

另外，这项研究的势头可能会催化各个技术领域之间的合作，比如包括材料科学、电气工程和设计在内进行跨学科领域合作。这会推动更多创新解决方案进入市场。随着对高质量视觉体验需求的持续增长，这些合作伙伴关系对于推动 micro-LED 技术的进一步发展至关重要。

总之，micro-LED 技术中单片三维集成技术的演进代表了实现高密度显示屏的巨大飞跃。利用外延 AlInP/GaInP 双量子阱结构成功开发红色 micro-LED，不仅标志着性能指标的提升，也是消费级和企业级显示技术未来进步的预兆。

然而，目前该技术主要解决了红色的问题，而 Micro-LED 的全彩化（红绿蓝集成）仍需要将此类技术与其他颜色的单片工艺进一步融合。假以时日，如果 Micro-LED 实现全彩化高清，那么人类进入真实的虚拟世界、进行逼真的数字交互将加快成为现实。

参考资料：

3D Integrated Red Micro-LED Display on Silicon

KAIST researchers solve key challenge for ultra-realistic red micro-LED displays - DongA Science

编译 / R 星人

（文中未标注的图片均来源于网络）

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