2022年4月29日，由虛擬現(xiàn)實(shí)制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟主辦、南昌虛擬現(xiàn)實(shí)研究院股份有限公司承辦、江西省工業(yè)和信息化廳與南昌市人民政府擔(dān)任指導(dǎo)單位的“虛擬現(xiàn)實(shí)制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（VRMTA?）2022年度工作會(huì)議暨VR產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高峰論壇”在江西南昌圓滿落幕。
晶能光電副總裁付羿在高峰論壇上發(fā)表了以《硅襯底Micro-LED技術(shù)在VR/AR領(lǐng)域的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化》為題的主旨演講，詳細(xì)介紹了Micro-LED技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及晶能光電在Micro-LED領(lǐng)域的技術(shù)布局與成果。
以下為演講全文：
各位院士，各位老師，各位領(lǐng)導(dǎo)，各位來賓下午好。今天我報(bào)道的題目是《硅襯底Micro-LED技術(shù)在VR/AR領(lǐng)域的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化》。
VR/AR設(shè)備是繼智能手機(jī)之后的下一代移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)。它會(huì)帶來更大的信息帶寬，無與倫比的沉浸感與交互感，也將帶來萬億級(jí)規(guī)模的市場(chǎng)。自2012年Google發(fā)布第一代Google Glass以來，VR/AR技術(shù)特別是VR技術(shù)，已經(jīng)經(jīng)歷了技術(shù)孕育期、期望峰值期、泡沫破滅點(diǎn)，現(xiàn)在處于一個(gè)穩(wěn)步上升的發(fā)展階段。2021年全球VR AR的總產(chǎn)值已經(jīng)實(shí)際達(dá)到1792億元，同年全球VR/AR的頭顯出貨規(guī)模達(dá)到約350億元人民幣。
近眼顯示光源是VR/AR頭顯設(shè)備中的一個(gè)核心組件。最近幾年不管是學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界，對(duì)Micro-LED技術(shù)在近眼顯示中的優(yōu)勢(shì)做了很多的宣導(dǎo)。通過對(duì)比，我們可以看到Micro-LED相比其他的顯示方案，在各項(xiàng)指標(biāo)上都占有比較明顯優(yōu)勢(shì)。
雖然在技術(shù)成熟度和成本方面還有所欠缺，國際上幾家較大的風(fēng)向標(biāo)級(jí)公司在Micro-LED顯示技術(shù)上均有層出不窮的布局與并購。
最近的并購案例是一個(gè)多月前，Google花費(fèi)了約10億美元收購了硅谷Micro-LED初創(chuàng)公司Raxium。在我們國內(nèi)，也有很多企業(yè)在深度布局Micro-LED顯示技術(shù)，其中不僅包括了傳統(tǒng)的LED制造企業(yè)，也包括了很多消費(fèi)電子領(lǐng)域以及顯示產(chǎn)品領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。
Micro-LED的專利布局也印證了賽道競(jìng)爭(zhēng)的火爆程度。從已經(jīng)取得了專利授權(quán)來看，蘋果公司處于領(lǐng)先地位；但是從新申請(qǐng)的專利數(shù)量來看，三星、京東方與LG都非常活躍。
接下來，我們來看一下Micro-LED在VR/AR中的實(shí)際滲透率和關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
此表中是近幾年和目前市場(chǎng)上一些比較主流的VR/AR產(chǎn)品，這些產(chǎn)品所采用的主流顯示光源還是LCD、LCoS與Micro-OLED，真正采用Micro-LED顯示方案的產(chǎn)品非常少，而且多為概念型產(chǎn)品。由此我們可以看到，整個(gè)Micro-LED的概念非常火爆，但是它的火爆程度與實(shí)際滲透率之間存在一個(gè)非常巨大的反差。
對(duì)顯示來說，最基本的要求是能夠真實(shí)準(zhǔn)確的還原事物的色彩。其他顯示方案比如LCD、LCoS、LBS與Micro-OLED都能合格甚至比較好的實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度、廣色域、高色純度，得到較好的顯示效果。但是目前Micro-LED在近眼顯示領(lǐng)域主要缺陷是紅光效率嚴(yán)重不足，不能實(shí)現(xiàn)全彩的高亮顯示。
從 RGB的三色圖來看，Micro-LED紅光量很低的，這也是目前采用Micro-LED的AR眼鏡大多為單綠色顯示的原因。正是這樣一個(gè)致命的缺陷，成為了Micro-LED的實(shí)際滲透率極低的根本原因。
當(dāng)Micro-LED用于近眼顯示的時(shí)候，其芯片尺寸至少要小于5微米，但在這么小的芯片尺寸下，傳統(tǒng)紅光材料AlGaInP載流子擴(kuò)散長度大，芯片邊緣非輻射復(fù)合速率快，材料脆且Micro-LED工藝窗口狹窄，側(cè)壁的損傷比較嚴(yán)重，所以發(fā)光效率是很低的，EQE低于5%，不足以支撐高亮的全彩顯示。
目前，為了解決Micro-LED紅光亮度不足的問題，有三種解決方案。
第一種是優(yōu)化Micro-LED芯片設(shè)計(jì)和制程，主要是優(yōu)化側(cè)壁減少側(cè)壁效應(yīng)，來增加Micro-LED的紅光光效。
第二種是開發(fā)InGaN基紅光材料。這種材料有潛在的優(yōu)勢(shì)，也存在著一系列挑戰(zhàn)。首先是高質(zhì)量、高In組分的InGaN結(jié)構(gòu)生長面臨基礎(chǔ)材料物理問題，其次公開報(bào)道的5微米InGaN基紅光Micro-LED的EQE目前只有約1%，最后紅光InGaN基LED發(fā)光半高寬(FWHM)大于50納米、波長漂移嚴(yán)重。
目前整個(gè)學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界都在花很大的精力來對(duì)InGaN紅光材料技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，出現(xiàn)了一些比較新的概念和技術(shù)，例如多孔GaN襯底等。我們相信不久的將來，在這個(gè)技術(shù)方向上會(huì)誕生較大的突破。
第三種實(shí)現(xiàn)Micro-LED紅光的技術(shù)方案就是藍(lán)光Micro-LED加上量子點(diǎn)熒光粉，這個(gè)方案看起來是最簡單直接的，但自身也存在問題。此方案比較容易實(shí)現(xiàn)單片全彩顯示，需要解決的挑戰(zhàn)在于高分辨率高精度的QD熒光粉如何打印，還有光刻和涂布在Micro-LED陣列上的工藝需要突破。實(shí)現(xiàn)工藝突破后，此方案才能夠?qū)崿F(xiàn)防漏藍(lán)、串色，帶來較好的顯示效果。
此外，QD熒光粉的可靠性也需要進(jìn)一步探討。QD熒光粉加Micro-LED的方案，對(duì)藍(lán)光Micro-LED的EQE要求也較高，最終才能讓紅光的亮度達(dá)到可以滿足應(yīng)用要求的水平。
Micro-LED在VR/AR中的應(yīng)用還有一些其他的技術(shù)難點(diǎn)，比如說大尺寸外延的一致性，外延表面潔凈度，壞點(diǎn)控制與修復(fù)技術(shù)，亮度不均勻性的矯正技術(shù)等等。因此要真正實(shí)現(xiàn)Micro-LED顯示技術(shù)在VR/AR領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用，我們必須針對(duì)這些關(guān)鍵挑戰(zhàn)與技術(shù)難點(diǎn)提供完善的工程化解決方案。
第二部分我向各位匯報(bào)一下硅襯底GaN技術(shù)在Micro-LED產(chǎn)業(yè)化中的意義。
Micro-LED的發(fā)展路徑大致可以分成三個(gè)階段：
單色濾光的工程產(chǎn)品出現(xiàn)，標(biāo)志著初始制程階段已經(jīng)完成。
目前大家正處于關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)階段的上半場(chǎng)，需要實(shí)現(xiàn)高亮度的紅光Micro-LED、單片全彩顯示方案，還同時(shí)要實(shí)現(xiàn)高色域和8K分辨率的Micro-LED陣列。
在第三階段，我們需要對(duì)Micro-LED的成本和良率進(jìn)行比較好的控制。普通的LED制造商過去處理的都是毫米級(jí)芯片，要實(shí)現(xiàn)微米級(jí)Micro-LED生產(chǎn)管控的確有較大的挑戰(zhàn)。但是在這個(gè)階段，我們完全可以借助于比較成熟的硅IC工藝制程。比如說28納米硅IC工藝，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)高良率12英寸硅晶圓制程，晶體管密度大于800萬每平方毫米，可以輕松的向下兼容芯片密度小于100萬每平方毫米的微米級(jí)Micro-LED工藝。
從整個(gè)Micro-LED的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)全鏈條來看，可以和IC工藝高度兼容的大尺寸硅襯底GaN技術(shù)無疑是最佳選擇，國際上這一領(lǐng)域也有一些實(shí)際的動(dòng)向，早先法國的Aledia已經(jīng)在12英寸硅晶圓上嘗試生產(chǎn)硅襯底納米線Micro-LED工藝。所以說，Micro-LED和硅工藝相結(jié)合，是目前產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)趨勢(shì)。
這張表提供了硅襯底Micro-LED技術(shù)與藍(lán)寶石襯底Micro-LED技術(shù)的詳細(xì)優(yōu)劣比較。我們可以看到，硅襯底Micro-LED技術(shù)在襯底尺寸、成本、生產(chǎn)良率、關(guān)鍵工藝的可靠性等方面的確有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。
晶能光電位于江西南昌市，是全球最大的硅襯底LED生產(chǎn)企業(yè)，有10余年的硅襯底LED全鏈條產(chǎn)業(yè)化技術(shù)積累，也有經(jīng)過市場(chǎng)充分檢驗(yàn)且具有競(jìng)爭(zhēng)力的硅襯底LED產(chǎn)品。目前晶能光電以開發(fā)可產(chǎn)業(yè)化的Micro-LED技術(shù)為前提，實(shí)現(xiàn)了8英寸硅襯底LED紅綠藍(lán)外延片的生產(chǎn)，也能夠生產(chǎn)8微米的Micro-LED紅藍(lán)綠三色顯示模組。
在比較關(guān)鍵的紅光Micro-LED開發(fā)方面，晶能光電采用了兩條路線，第一條就是硅襯底上的InGaN紅光外延和Micro-LED器件的開發(fā)；第二條是與合作單位共同開發(fā)的InGaN藍(lán)光Micro-LED+QD色轉(zhuǎn)換。晶能光電將深度挖掘底層技術(shù)，盡可能早日拿出滿足下游應(yīng)用要求的工程化解決方案。
最后，我想借一張圖，來聊一聊VR/AR設(shè)備的進(jìn)化路徑。
從產(chǎn)品形態(tài)來看，VR/AR設(shè)備應(yīng)該從目前較笨重的頭盔式產(chǎn)品，進(jìn)化成較輕便、易于攜帶的眼鏡類產(chǎn)品。從產(chǎn)品功能來看，VR/AR設(shè)備會(huì)從目前只能顯示簡單信息或者只是作為電腦、手機(jī)的顯示外設(shè)的狀態(tài)，進(jìn)化成為真正具有獨(dú)立運(yùn)算能力的移動(dòng)信息平臺(tái)。
在這一進(jìn)化過程中，無論是菲涅爾透鏡、Pancake短焦還是BD、自由曲面等體積較大的光學(xué)方案，最終可能都將統(tǒng)一成體積較小的光波導(dǎo)光學(xué)方案。
如果全彩、高亮度的Micro-LED光源開發(fā)得到突破了，搭配光波導(dǎo)后將會(huì)成為最佳的近眼顯示光引擎。在晶能光電看來，Micro-LED顯示在VR/AR產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用前景可以簡單的用8個(gè)字來概括，就是“道路曲折，前景光明”。
