硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

arinchina 2022年5月17日09:12:08
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硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

2022年4月29日,由虚拟现实制造业技术创新战略联盟主办、南昌虚拟现实研究院股份有限公司承办、江西省工业和信息化厅南昌市人民政府担任指导单位的“虚拟现实制造业技术创新战略联盟(VRMTA®)2022年度工作会议暨VR产业创新高峰论坛”在江西南昌圆满落幕。

晶能光电副总裁付羿在高峰论坛上发表了以《硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化》为题的主旨演讲,详细介绍了Micro-LED技术的发展现状以及晶能光电在Micro-LED领域的技术布局与成果。

以下为演讲全文:

各位院士,各位老师,各位领导,各位来宾下午好。今天我报道的题目是《硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化》。

VR/AR设备是继智能手机之后的下一代移动计算平台。它会带来更大的信息带宽,无与伦比的沉浸感与交互感,也将带来万亿级规模的市场。自2012年Google发布第一代Google Glass以来,VR/AR技术特别是VR技术,已经经历了技术孕育期、期望峰值期、泡沫破灭点,现在处于一个稳步上升的发展阶段。2021年全球VR AR的总产值已经实际达到1792亿元,同年全球VR/AR的头显出货规模达到约350亿元人民币。

硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

▲晶能光电副总裁 付羿

近眼显示光源是VR/AR头显设备中的一个核心组件。最近几年不管是学术界还是产业界,对Micro-LED技术在近眼显示中的优势做了很多的宣导。通过对比,我们可以看到Micro-LED相比其他的显示方案,在各项指标上都占有比较明显优势。

硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

虽然在技术成熟度和成本方面还有所欠缺,国际上几家较大的风向标级公司在Micro-LED显示技术上均有层出不穷的布局与并购。

最近的并购案例是一个多月前,Google花费了约10亿美元收购了硅谷Micro-LED初创公司Raxium。在我们国内,也有很多企业在深度布局Micro-LED显示技术,其中不仅包括了传统的LED制造企业,也包括了很多消费电子领域以及显示产品领域的龙头企业。

硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

Micro-LED的专利布局也印证了赛道竞争的火爆程度。从已经取得了专利授权来看,苹果公司处于领先地位;但是从新申请的专利数量来看,三星、京东方与LG都非常活跃。

硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

接下来,我们来看一下Micro-LED在VR/AR中的实际渗透率和关键挑战。

硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

此表中是近几年和目前市场上一些比较主流的VR/AR产品,这些产品所采用的主流显示光源还是LCD、LCoS与Micro-OLED,真正采用Micro-LED显示方案的产品非常少,而且多为概念型产品。由此我们可以看到,整个Micro-LED的概念非常火爆,但是它的火爆程度与实际渗透率之间存在一个非常巨大的反差。

对显示来说,最基本的要求是能够真实准确的还原事物的色彩。其他显示方案比如LCD、LCoS、LBS与Micro-OLED都能合格甚至比较好的实现高对比度、广色域、高色纯度,得到较好的显示效果。但是目前Micro-LED在近眼显示领域主要缺陷是红光效率严重不足,不能实现全彩的高亮显示。

硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

从 RGB的三色图来看,Micro-LED红光量很低的,这也是目前采用Micro-LED的AR眼镜大多为单绿色显示的原因。正是这样一个致命的缺陷,成为了Micro-LED的实际渗透率极低的根本原因。

当Micro-LED用于近眼显示的时候,其芯片尺寸至少要小于5微米,但在这么小的芯片尺寸下,传统红光材料AlGaInP载流子扩散长度大,芯片边缘非辐射复合速率快,材料脆且Micro-LED工艺窗口狭窄,侧壁的损伤比较严重,所以发光效率是很低的,EQE低于5%,不足以支撑高亮的全彩显示。

目前,为了解决Micro-LED红光亮度不足的问题,有三种解决方案。

第一种是优化Micro-LED芯片设计和制程,主要是优化侧壁减少侧壁效应,来增加Micro-LED的红光光效。

第二种是开发InGaN基红光材料。这种材料有潜在的优势,也存在着一系列挑战。首先是高质量、高In组分的InGaN结构生长面临基础材料物理问题,其次公开报道的5微米InGaN基红光Micro-LED的EQE目前只有约1%,最后红光InGaN基LED发光半高宽(FWHM)大于50纳米、波长漂移严重。

目前整个学术界、产业界都在花很大的精力来对InGaN红光材料技术进行开发,出现了一些比较新的概念和技术,例如多孔GaN衬底等。我们相信不久的将来,在这个技术方向上会诞生较大的突破。

第三种实现Micro-LED红光的技术方案就是蓝光Micro-LED加上量子点荧光粉,这个方案看起来是最简单直接的,但自身也存在问题。此方案比较容易实现单片全彩显示,需要解决的挑战在于高分辨率高精度的QD荧光粉如何打印,还有光刻和涂布在Micro-LED阵列上的工艺需要突破。实现工艺突破后,此方案才能够实现防漏蓝、串色,带来较好的显示效果。

此外,QD荧光粉的可靠性也需要进一步探讨。QD荧光粉加Micro-LED的方案,对蓝光Micro-LED的EQE要求也较高,最终才能让红光的亮度达到可以满足应用要求的水平。

Micro-LED在VR/AR中的应用还有一些其他的技术难点,比如说大尺寸外延的一致性,外延表面洁净度,坏点控制与修复技术,亮度不均匀性的矫正技术等等。因此要真正实现Micro-LED显示技术在VR/AR领域的规模应用,我们必须针对这些关键挑战与技术难点提供完善的工程化解决方案。

第二部分我向各位汇报一下硅衬底GaN技术在Micro-LED产业化中的意义。

硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

Micro-LED的发展路径大致可以分成三个阶段:

单色滤光的工程产品出现,标志着初始制程阶段已经完成。

目前大家正处于关键技术开发阶段的上半场,需要实现高亮度的红光Micro-LED、单片全彩显示方案,还同时要实现高色域和8K分辨率的Micro-LED阵列。

在第三阶段,我们需要对Micro-LED的成本和良率进行比较好的控制。普通的LED制造商过去处理的都是毫米级芯片,要实现微米级Micro-LED生产管控的确有较大的挑战。但是在这个阶段,我们完全可以借助于比较成熟的硅IC工艺制程。比如说28纳米硅IC工艺,已经能实现高良率12英寸硅晶圆制程,晶体管密度大于800万每平方毫米,可以轻松的向下兼容芯片密度小于100万每平方毫米的微米级Micro-LED工艺。

从整个Micro-LED的发展与产业全链条来看,可以和IC工艺高度兼容的大尺寸硅衬底GaN技术无疑是最佳选择,国际上这一领域也有一些实际的动向,早先法国的Aledia已经在12英寸硅晶圆上尝试生产硅衬底纳米线Micro-LED工艺。所以说,Micro-LED和硅工艺相结合,是目前产业中的一个趋势。

硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

这张表提供了硅衬底Micro-LED技术与蓝宝石衬底Micro-LED技术的详细优劣比较。我们可以看到,硅衬底Micro-LED技术在衬底尺寸、成本、生产良率、关键工艺的可靠性等方面的确有比较明显的优势。

晶能光电位于江西南昌市,是全球最大的硅衬底LED生产企业,有10余年的硅衬底LED全链条产业化技术积累,也有经过市场充分检验且具有竞争力的硅衬底LED产品。目前晶能光电以开发可产业化的Micro-LED技术为前提,实现了8英寸硅衬底LED红绿蓝外延片的生产,也能够生产8微米的Micro-LED红蓝绿三色显示模组。

在比较关键的红光Micro-LED开发方面,晶能光电采用了两条路线,第一条就是硅衬底上的InGaN红光外延和Micro-LED器件的开发;第二条是与合作单位共同开发的InGaN蓝光Micro-LED+QD色转换。晶能光电将深度挖掘底层技术,尽可能早日拿出满足下游应用要求的工程化解决方案。

硅衬底Micro-LED技术在VR/AR领域的应用和产业化

最后,我想借一张图,来聊一聊VR/AR设备的进化路径。

从产品形态来看,VR/AR设备应该从目前较笨重的头盔式产品,进化成较轻便、易于携带的眼镜类产品。从产品功能来看,VR/AR设备会从目前只能显示简单信息或者只是作为电脑、手机的显示外设的状态,进化成为真正具有独立运算能力的移动信息平台。

在这一进化过程中,无论是菲涅尔透镜、Pancake短焦还是BD、自由曲面等体积较大的光学方案,最终可能都将统一成体积较小的光波导光学方案。

如果全彩、高亮度的Micro-LED光源开发得到突破了,搭配光波导后将会成为最佳的近眼显示光引擎。在晶能光电看来,Micro-LED显示在VR/AR产业中的应用前景可以简单的用8个字来概括,就是“道路曲折,前景光明”。

 

来源:93913
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