總的來說，在包括高質量半導體照明、Micro-LED顯示、可見光通信、柔性顯示和植入式生物醫療等應用場景，LED器件本身面臨發光側壁效應、發光光譜半高寬、柔性制造和可靠性、發光光束、發光調制速率、集成系統、顯色性和效率等問題和挑戰。
1.問題和挑戰-1：Micro-LED 側壁效應
傳統LED面積比較大，其具有數十微米的邊緣側壁，側壁效應中并不重要。Micro-LED尺寸非常小，側壁效應顯著甚至是致命的。Micro led制作過程中的干法蝕刻會引入很多的側壁缺陷，會成為表面復合和非輻射復合的通道，導致發光效率降低和發光均勻性等問題。下圖來自河北工業大學張紫輝教授的optics express文章，可以看出，當傳統LED和Micro LED具有絕對面積一樣的側壁時，micro led的效率會急劇降低。
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芯片設計,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Micro LED制造技術，包括刻蝕工藝優化，表面鈍化層沉積等。
2.問題和挑戰-2 ：Micro-LED光束調控
LED 光為近似朗伯光源，它的發光輻射強度和亮度等呈現瑯勃分布規律。隨著Micro LED像素縮小，側壁面積占整體表面積比增大，側壁發光占據很大成分，不可忽視。在Micro顯示中影響比較大，會帶來比較大的串擾效應：（1）RGB三芯片彩色化中，Micro LED像素單元發光會串擾到相鄰像素，而此像素LED可能為關閉的，這就會影響相鄰像素的黑色水平，因為理想情況此像素是完全關閉不發光顯示的，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，同一個像素單元的比如藍光Micro LED發光可能會激發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 光束調控不僅包括Micro LED本身發光光束的調控，也包括光致彩色光的光束調控和管理。
Micro LED 顯示與 LED-LCD，QD-LCD，或薄膜OLED， QD LED主動發光均不同，適合點陣式Micro LED 顯示的光束調控（非相干光波動光學調控、朗伯光源幾何光學調控、結構設計制造，如側壁反射膜，圍壩等）。LED的光譜半高寬有20nm左右，在時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LED光的metasurface，共振腔等波動光學調控還需要進行探索和研究。幾何光學調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生影響，并且產生的效果和傳統LED不太一樣的效果。Micro LED芯片結構設計和制造，包括幾何光學的一些比如側壁塑形，也包括比如側壁反射鏡，底部反射鏡等結構設計制造。臺灣交通大學郭浩中教授在photonics research 上報道了基于光刻膠的圍壩結構和工藝，就是在Micro LED芯片周圍噴涂一圈光刻膠，吸收側壁發出的光，從而降低像素串擾。Micro LED芯片的光束調控和用于顯示的串擾因素可能還同具體的Micro LED芯片結構、尺寸以及Micro LED陣列的間距等相關。LED外延材料差不多6-10微米厚，當前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，而一般藍寶石襯底在100微米以上，Micro LED芯片用于Micro LED顯示還是必然要把藍寶石襯底去除，一般是通過倒裝或者垂直結構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，相鄰像素和像素內不同色彩單元的串擾，相比有源區如果在芯片頂部的話會越嚴重。這是Micro LED芯片和尺寸，間距的可能影響。
3.問題和挑戰-3： Micro-LED發光調制速率
Micro LED面試具有快速切換能力，由于載流子復合壽命ns級別（300MHz），相比OLED μs提高。但5G+4K 顯示和可見光通信應用仍需進一步提高；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，實際應用認為不可取）。
影響GaN LED發光調制速率的因素有：
（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構LED，釋放材料應力，從而量子阱壓電極化場來實現。（2）器件：常規大面積器件（200μm)大的電容，存在RC效應?？梢酝ㄟ^減小LED面積，從而減小電容來減小RC效應，即Micro-LED。（3）白光LED器件存在斯托克斯轉換慢，熒光發光慢問題?？梢酝ㄟ^開發采用新型熒光材料，如QD、Conjure polymer或者采用三色LED來克服，但是在照明質量方面需要優化提高。（4）Purcell效應（光學共振腔、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效應來提高發光效率和調制速率。Purcell效應告訴我們，物質的發光性能不僅僅由物質本身性質決定，同時也受到環境模式太密度的影響?；诖耍梢栽O計人工結構，比如共振強和金屬等離激元來提高LED發光調制速率。金屬等離激元是由于具有很小的模式體積，而共振腔的品質因子很高。南京大學劉斌教授課題組在等離激元增強發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，使得它的作用距離比較短，需要使金屬等離激元離有源區的距離比較近，這會增加器件短路的風險。另外，金屬本身會使發光quench, 因此需要平衡purcell增強和發光quench兩方面的因素。基于激光器、超輻射二極管可見光通信有不少報道，光源帶寬和通信速率得到極大增強，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，同時結構復雜，光照面積大小，人體潛在危害性比較大。LED在這方面具有優勢。
4.問題和挑戰-4：Micro-LED發光光譜半高寬
Micro-LED發光半高寬會影響Micro LED顯示的對比度。對于RGB三芯片彩色化：Micro LED發光半高寬影響顯示色閾、色純度；光致熒光（QD)彩色化：Micro LED發光影響藍色色閾。雖然Micro LED發光半高寬目前為20nm左右，能有一個比較好的顯示效果。但是進一步提高顯示閾值和色純度等，還需要降低半高寬?？赡苡腥藭X得直接用激光器就是，因為激光器具有極窄的半高寬，但是Micro LED結構簡單，沒有電流驅動閾值。基于激光芯片的DMD投影和電視最近有很多產品，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路線了。而激光芯片直接像素顯示似乎無人報道，技術難度，功耗，驅動控制等問題很大。另外，Micro LED顯示單像素點的亮度并不需要很大，所以激光的高強度并無必要。
5.問題和挑戰-5：柔性制造和可靠性
柔性Micro LED在柔性顯示、植入式生物醫療等有潛在應用。柔性顯示目前應用基本上是基于有機AMOLED材料和技術。美國西北大學John Rogers組，通過Laser lift off和Transfer Printing, 將Micro LED在柔性顯示、植入式生物醫療。但是正如在巨量轉移技術中討論的，需要將GaN/襯底界面先底切蝕刻，才能實行轉印。而GaN/襯底界面是比較難以蝕刻的，這增加了柔性制造和轉移的困難以及可靠性，成功率和工藝復雜性。iBeam Materials公司報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LED質量，良率等方面的繼續報道?？傊?，柔性LED和Micro存在制造工藝復雜性、可靠性、效率和良率等問題。
6.問題和挑戰-6：發光效率和顯色性
這里發光效率指白光LED的流明效率。半導體照明經過快速的發展，其發光效率已經可以達到250lm/W以上。隨著進一步的深化和要求提高，半導體照明的質量要求也在提高，包括顯色性，色溫等。
但是白光LED發光效率和顯色性存在平衡矛盾：人眼峰值相應550nm，理論上在此波長下可以獲得最大的發光效率，但是提高 CRI需要擴展光譜, 而這將降低發光效率。如何降低白光LED發光效率droop，如何在維持甚至提高其顯色指數下提高發光效率是個需要探討研究的問題。
7.問題和挑戰-7：LED光電/光系統集成
LED光電/光系統集成對本身LED器件的結構性能等提出要求。LED光電/光系統集成包括照明、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、高密度和高頻驅動的結構集成；GaN 材料和Si等材料的異質材料集成，GaN LED和Si CMOS、GaN HEMT等功能單芯片集成，三維/曲面/柔性異質復雜結構形態集成，GaN LED和探測器、光波導等片上光通信集成。
