新质对话｜黄凯：有没有包打天下的技术路线？半导体显示如何向价值链高端延伸
作为闽台合作的桥梁，厦门依托独特的区位优势，通过招商引资和“一企一策”的政策服务，奠定了坚实的光电显示产业基础。经过多年的发展，厦门已形成覆盖LED、玻璃基板、面板、模组、液晶显示器、整机等较为完整的产业链布局。湖里区作为厦门光电显示产业的重要承载区，不仅在区域产业链布局上表现突出，而且在企业技术进化方面也颇具成效，值得深入观察和研究。
为了更清晰地梳理光电显示领域的技术难点及未来发展方向，澎湃新闻记者采访了厦门大学物理科学与技术学院副院长、嘉庚创新实验室厦门市未来显示技术研究院执行院长黄凯教授。黄凯教授所在的厦门市未来显示技术研究院，是厦门光电产业领域产学研合作的重要环节。作为这一领域的杰出科学家，黄凯和他的团队正致力于为厦门的光电显示产业提供技术支撑，并在产业链上下游的沟通协调中发挥重要作用。
澎湃新闻：为什么厦门的光电显示产业能够发展起来？相关技术最初的来源是从哪里来的？
黄凯：2000年初，厦门开始着重发展光电产业，当时投入了大量的精力和资源，包括国家各个部委的支持，厦门市也出台了一系列政策来扶持LED产业的发展。当时，LED做得比较好的是日本和中国台湾，但经过十多年的发展，厦门在全球半导体照明领域取得了显著的优势地位。巅峰时期，厦门LED照明产品占据了全球市场近40%的份额。近年来，光电和显示在一定程度上开始相互融合，照明逐渐转型，并与显示紧密结合。光电LED在显示行业中的应用越来越广，不仅应用面积在增加，价值链也在不断提升。
厦门市在光电显示领域的发展，有一定的偶然性和必然性。其地理位置接近台湾，文化上的天然交融很大程度助推了产业的发展。同时，厦门的起步也并不晚，全球的光电显示产业化大约在2000年开始。2003年6月，“国家半导体照明工程”启动，厦门迅速响应并投入了大量资源以支持产业发展。当时，连街道办的主任、副主任，甚至普通科员，见面都在谈论LED，确实形成了人人都关心、关注LED发展的氛围。在技术来源方面，国内的LCD和OLED技术主要来自日本、韩国和中国台湾。中国付出了不小的代价引进这些生产线，并派遣一批技术骨干前往日本学习，他们在国外学习一两年后，带回了先进的技术和经验。
在大陆和台湾地区科研力量的支持下，中国逐步发展壮大了自己的光电显示产业。经过20年左右的努力，中国培育出了从科学家到工程师再到企业经营人员的完整光电产业生态及人才队伍。
澎湃新闻：技术演进脉络是怎样的？
黄凯：笔记本电脑大约从2010年前后开始轻薄化。2010年之前，主要使用的是LCD液晶显示屏。LCD本身不发光，需要背光源来实现显示功能。其作用是通过选择性地透过或阻挡背光，来实现图像。屏幕由很多像素构成，每个像素分割成红、绿、蓝三个子像素。为了显示红光，屏幕会遮挡蓝光和绿光。因此，除了液晶层作为“阀门”，还需要背光源来照亮屏幕。早期的显示器背光使用的是小型的日光灯，导致屏幕的厚度受到限制。2010年前后，日光灯管被LED背光替代，极大地降低了屏幕的厚度。背光用的LED芯片只有几百微米，非常纤薄，因而LED背光迅速地替代了传统的荧光灯背光。这一变化对LED行业也是巨大的推动，LED背光占据了整个LED产量的60%。
随后出现了OLED（有机发光二极管）显示屏，这类屏幕不需要背光。商场门口、会场屏幕等都是采用OLED技术。例如，一个4K分辨率的屏幕，横向有4000个像素，纵向有2000个像素，共有800万个像素。每个像素需要能够显示红、绿、蓝三种颜色，因此需要2400万个子像素，每个像素点背后还有一套驱动电路。由于OLED是小分子材料，容易氧化，因此蒸镀发光层和后段封装相对比较复杂。
Micro-LED是一种无机材料，相对于OLED更稳定，因此对封装的要求较低。LED和LCD等技术在发展过程中相辅相成，如今慢慢成为竞争性技术。尽管笔记本电脑的绝大部分屏幕仍然是LCD，但背光几乎全部采用了LED，并出现了两种背光方式：一种是边缘装置的LED通过导光板导入光纤，另一种是使用多颗Mini-LED芯片作为背光源。随着用户对产品的期望不断提高，技术也在不断进步，新的解决方案不断涌现。
在LED外延芯片方面，厦门处于领先地位。外延芯片的衬底是单晶材料，外延材料一层层生长，形成不同的功能层，每个功能层的主分和掺杂都不同，需要在高温下通过精确控制气体流入，使材料在晶体表面分解、重新化合，逐渐生长，控制精度在纳米级别。总体来说，显示技术的发展趋势是像素密度不断提升，芯片尺寸不断缩小。LCD或OLED与Mini-LED、Micro-LED技术在一定程度上是竞争性或并列的技术。目前有一个共识，至少在中短期内，不会有某一项技术完全替代其他技术。每种技术都有其适用的场景和优势，例如，LCD的成本优势使得它仍有很好的市场需求。
澎湃新闻：行业似乎认为Micro-LED这个解决方案可以“包打天下”，真的存在“包打天下”的方案吗？
黄凯：通常来说，一个东西越难制备出来，相对来说也越难破坏。制备Micro-LED需要一千度的高温，而有机化合物通常很难耐受一百度以上的温度，因此需要使用无机化合物才能更稳定。Micro-LED通常使用的是50微米以下的芯片，一根头发丝直径方向上能够摆放5-6颗芯片，制备难度非常高，此前的机械转移技术已经无法满足要求，需要使用印章式或激光的巨量转移技术。
Micro-LED在目前阶段表现出色，以其卓越的稳定性和全面的性能指标，成为综合指标最优秀的一种显示技术。Micro-LED需要高速度、高精度和高良率，对工艺和设备提出了极高的要求。相比之下，Mini-LED和常规LED的芯片尺寸一般到达不到微米级，可能是毫米级，但由于它距离我们足够远，显示效果依然不错。传统的显示方案是通过遮挡另外两个子像素来让需要发光的子像素发光，而Micro-LED采用的是自发光技术，每个子像素都可以独立发光，从而实现更高的对比度和色彩表现，这使其在显示应用中具有巨大的潜力，但也意味着制造和工艺的挑战更大。直接让需要发光的子像素发光。
在应用层面上，目前来看，100寸以上的大屏幕，几乎只有Micro-LED能够实现。原因在于Micro-LED可以做到无缝拼接。例如，OLED由于蒸镀工艺限制，无法做到大面积且均匀的显示。另外，OLED的驱动电路也存在减损问题。对于一张完整的大屏幕来说，由于电阻材料的存在，左右两端加电压后得到的电流会有所不同，这在屏幕尺寸过大的情况下是难以克服的问题。而Micro-LED可以实现无缝拼接，能够根据需求拼接出任意尺寸的大屏幕，同时，像素密度还可以非常高，这是一大优势。我们实验室的极端能力可以做到15000PPI左右（每英寸15000个像素）。
另外，Micro-LED的亮度也显著高于其他显示技术，它可以达到几百万尼特，而OLED的最大亮度大约只有一万尼特。这主要也与其材料特性有关，Micro-LED使用的是无机材料，具有更高的稳定性和耐用性。相比之下，OLED使用的有机材料稳定性会较差，当大电流注入时，有机材料容易分解，热效应比较强，导致材料烧坏。
我们实验室目前能够制作的显示屏，像素密度达到六十几微米，无论将屏幕放得多近，都看不到单独的像素点，这已经可以媲美手机屏幕的显示效果。LED显示屏原来主要用于工程类应用，现在从技术上已经突破这一限制，可以迈向消费电子市场。然而，在产业化方面仍有很长的路要走，主要挑战在于目前成本仍然非常高。
澎湃新闻：从LED照明到LED显示，这个变化是怎样发生的？
黄凯：正因为有LED照明产业的发展，才会延伸出未来显示产业，并逐步向价值链的高端延伸。如果没有中国，LED可能止步于照明。中国人特别擅长把一个东西做成白菜价。上世纪末到2000年初，国产化之前，一颗LED的价格是6美元，现在一颗LED的价格不到一分钱。
半导体产业有这样一个特征，即在成本降低的同时，性能通常会稳步提升。半导体行业的一个重要的特点是，随着产品成本的降低，市场规模会快速扩大，逐步走进千家万户。规模化后不仅能降低成本，还能催生新的应用。原本高昂的生产成本使得LED最多只能用于照明，而现在LED可以广泛应用于显示领域。
对LED来说，应用在显示屏上的芯片性能要求远高于照明用途。例如，显示屏要求色度均匀性，不能这边更亮一点，那边更红一点。
目前，全球最大的LED芯片厂是三安光电，其次是晶元光电和乾照光电。值得注意的是，这三家中的两家都在厦门。厦门在这个行业有比较强的优势，探索了更多的应用场景。另外，只要形成技术壁垒，这些企业可以有很强的输出能力。高科技产业不像其他产业有明显的区域市场限制，他们面对的是全球市场，关键在于各个城市能在全球市场中分到多大一杯羹。
澎湃新闻：从芯片制备工艺的角度，显示领域的芯片和集成电路的芯片区别主要在哪里？
黄凯：光电芯片采用的是气相外延工艺，而集成电路芯片则使用液相外延工艺。显示领域的芯片根据功能来分类，光电器件的芯片称为光电芯片，功率转换器件称为功率芯片，还有射频芯片等。集成电路芯片在横向上的精度要求很高，需要在一块硅晶圆上刻槽，槽的宽度达到纳米级。LED芯片则有其特殊之处，它在纵向上的精度要求非常高。LED芯片是在一个衬底上通过光刻的方式刻制，通常使用砷化镓或蓝宝石作为衬底材料，通过高温方式把材料生长出来，衬底是六英寸或四英寸，而不是通过单晶拉制的方式。材料生长过程中需要不断调整，LED中间通常有量子阱结构，总的层数可能达到上百层，每一层的厚度需要精确控制在一纳米以下。在极端的情况下，甚至要求一个分子层控制在大约0.2纳米的精度。
从技术难度的角度看，我们较早攻克了LED芯片的技术。与集成电路芯片相比，各有不同的技术难点。一个产业一旦攻克了关键技术并处于领先位置，整个产业链会逐步平衡，确保其维持在前沿。如果某个问题被卡脖子，长期没解决，就会越来越容易受到掣肘，并且影响设备、基础原材料和工艺等各方面。
LED芯片的尺寸也在不断缩小。在同样的外延片上，Micro-LED芯片的数量比Mini-LED多十倍，但成本并不会增加很多。产业链真正成熟后，Micro-LED反而能降低成本。主要的成本来自转移的过程，Micro-LED通过巨量转移将芯片转移到像素上，然后进行封装，在上面涂胶，盖上玻璃板和驱动背板就可以通电了。
澎湃新闻：未来显示技术研究院在厦门整个光电显示产业版图中的定位是怎样的？
黄凯：当时规划成立研究院时，厦门市给我们的任务就非常明确，就是要支撑厦门市相关产业的发展，帮助壮大现有的产业链条。厦门市的眼光非常高，所以在整个开发过程中，我们与三安光电、天马微电子等企业形成了良好的互动。研究院以相对独立的平台形式，纳入嘉庚实验室的一体化建设。
我们主要开发一系列的技术，进行技术转让，并在成熟的情况下做孵化转化。针对Micro-LED的新型研发机构，我们在国内是第一家。我们和企业的交流互动及联合研发比较成熟，合作对象都是国内最大的LED厂商。
研究院不是一个量产的单位，但很多辅材的供应商都在跟我们合作，因为我们有一条实验线，各企业开发出的新材料，可以送一些样品到我们这里来验证。这样企业在销售的时候，可以引用在我们这里打样的数据。这也是我们平台的重要功能之一，能够带动上下游产业之间的互信。
厦门在这个领域继续强链补链。虽然现在产业已经集聚到一定规模，但上下游之间链条还不够完整，相关设备的开发生产能力及基础原材料仍有欠缺。制造方面已经较为出色，在国内算是排头兵。我们希望能够进一步发挥作用，推动更深层次的科技成果转化，不仅是服务产业，还希望在补链方面创造更多的价值。
无论是自主研发，还是协助引进相关的团队或引进一些产业链上下游公司，我们要做的都是扎实的事情。关于基础原材料是否在厦门本地生产，这需要具体情况具体分析。厦门作为“花园城市”，是否适合发展化工产业需要与地方政府探讨定位。我们肯定会开展相应的研发，但研发后是否适合在厦门落地，还需要进一步讨论。
澎湃新闻：研究院通过什么方式激励创新？
黄凯：我们的研发团队由厦大兼职的老师和研究院自聘的全职工程师组成。这批工程师对我们来说特别重要，我们能有现在的成绩，他们做出了很大贡献。
高校的科研导向与产业上往往不同，过多关注高校的考核指标可能不利于技术开发和产业服务。比如，工程师需要专心摸索某一道工艺，而这在高校大概是写不了论文的。
研究院目前投入产出比很好，芯片的一些关键指标已领先于国际水平。例如，两微米Micro-LED的发光效率，我们已经达到蓝光41%、绿光34%，而国际上公开报道的最好水平是蓝光约12%、绿光只有8%。这主要得益于厦大在这方面的科研实力以及我们的体制优势，使得工程师能够专心摸索工艺，专注调整细节参数，提升各项指标。
如果以盈利为主要目标，企业的研发进步可能会是小步快走的方式，即今天你稍微领先，明天我就更努力一些，投入的科研资源刚好超过对手。这种方式通常很难形成突破性的进步。而我们能够在一些技术上大幅领先于国际同行，很大程度上是因为工程师团队能够专注于研发。
我们主要通过经济奖励以及对工程师的高度尊重来激励创新。作为比较纯粹的科研单位，我们不怕失败，鼓励创新。我们的科研人员有比较丰富的经验和强大的基础科研实力，他们提出来的很多想法都是经过产业历练的，我们稍微过滤和判断这些想法的可行性，就能形成比较好的研究方向。