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AR显示之硅基Micro LED技术问题及全彩化分析

近眼显示

2024-07-18

导读：Micro LED在AR头显的应用值得期待，但也面临诸多难题

Micro LED以微米级LED作为像素发光单元，具有高亮度、高对比度、高像素密度、可拼接等多重优势。目前被认为是最适合AR的显示技术。

据悉，目前AR头显中，Micro OLED以轻量化、高像素密度、对比度、响应时间、功耗等方面的优势，逐渐成为近年来新晋发布AR头显的主流显示方案。不过由于在亮度方面的缺陷，Micro OLED主要搭配Birdbath、自由曲面等光利用率高、而轻型化受限化的光学方案，在头显效果上，更适合室内应用。而Micro LED，通过硅基技术结合微米级LED，可满足高像素密度、高亮度、低功耗等一系列AR头显的性能要求，也可结合光波导光学方案，实现设备轻型化。

因此，从应用需求角度而言，AR头显将是Micro LED技术革新的最大驱动力。尤其，在苹果取消Micro LED智能手表项目之后，这一诉求变得更为关键和迫切。

图片来源：拍信网正版图库

Micro LED各项参数优势显著，体积更小。Micro LED是基于LED的微型显示技术，每个像素均可自主发光，Micro LED有高密度和低密度之分，应用于ARVR的是高密度Micro LED，PPI＞2000，LED颗粒尺寸仅1-10μm。Micro LED核心优势在于：1）亮度高（亮度十万甚至百万尼特，搭配衍射光波导入眼亮度可达1000nit以上）；2）响应速度快（纳秒级别）；3）体积更小，适合消费级AR（JBD Micro LED全彩光机“蜂鸟”0.4cc，对比LBS/Micro OLED 0.5-1cc，新型LCOS/DLP 1-2cc），此外还具备对比度高、色域广、功耗低、使用寿命长等优点。

AR Micro LED不涉及巨量转移技术，但存在侧壁效应、红光效率低、全彩化技术复杂等难点。

一、AR Micro LED不涉及巨量转移技术：巨量转移（将LED硅晶圆基板上生长的Micro LED转移到驱动背板）是Micro LED量产制造核心难题，转移良率和精准度要求极高，但由于AR显示器面积小，像素尺寸和间距只有几微米，不涉及巨量转移技术。

二、Micro LED侧壁效应：Micro LED像素尺寸缩小、芯片的周长面积比增大，导致侧壁的表面复合增多，非辐射复合速率变大，从而致使光电效率下降，此外器件制备过程中的ICP刻蚀也会加重侧壁缺陷，侧壁效应会影响Micro LED实际功耗表现。

三、 Micro LED红光效率不足：蓝光、绿光LED是在蓝宝石、碳化硅或硅衬底上生长InGaN等三元材料，红光LED大多是在GaAs衬底上生长AlGaInP四元材料，相较于蓝绿光，AlGaInP红光Micro LED尺寸减小导致效率下降更为明显。材料创新（例如InGaN红光Micro LED ）和技术优化是解决Micro LED红光效率不足的主要途径，23年10月JBD宣布其0.13英寸Micro LED红光芯片亮度突破100万尼特大关，其中，新一代AlGaInP 外延技术极大减弱了Micro LED表面非辐射复合影响，延缓了红光Micro LED在＜5um 尺寸下的光效急剧衰减的趋势，结合芯片钝化技术，进一步突破了红光尺寸效应瓶颈。

Micro LED红光效率不足

四、Micro LED全彩化技术复杂：全彩Micro LED量产难度和成本较高，应用产品较少，据LEDinside统计，2023年有9款Micro LED AR眼镜发布/上市（2022年仅3款），其中6款是单色Micro LED。

当前Micro LED全彩化技术主要分为三类：合色技术、量子点技术和单片堆叠技术。

2023年Micro LED AR眼镜

一、合色技术：目前AR领域全彩Micro LED已量产的技术是合色技术，1）X-Cube合色（棱镜合色）：R、G、B三个单色面板分别固定在X-cube（棱镜）三个面，三色通过X-cube合色后通过第四个面发出，并由一组微透镜准直和投射，X-cube方案模组体积小于1.4cc。2）光波导合色：使用R、G、B三个独立单色光机进行合色，一般搭配多层光波导/多个波导耦入口实现合色。

JBD Micro LED 合色方案

二、量子点技术：通过UV/蓝光LED发光激发量子点或荧光粉材料实现色彩转换，由于荧光粉粒径较大，一般采用量子点，量子点被激发后易于调控出射光的发射波长，可以发出RGB三色光，通过色彩配比实现全彩化。由于量子点具有较窄的半峰宽和较宽的吸收光谱，且发光效率很高，因此显示的色彩纯度和饱和度较高。目前量子化技术实际应用的挑战主要在于材料稳定性差、寿命短、颜色均匀性不佳等问题。

基于量子点的Micro LED制备流程

三、单片堆叠技术：单片式全彩Micro LED具备更广泛的应用价值，视场角更大、光机体积更小，简化了AR眼镜系统级集成，减少了光学损耗，可实现更高的波导准直效率。1）2023年2月MIT团队使用二维材料层转移开发出全彩垂直堆叠Micro LED，阵列密度达5100PPI，尺寸仅4μm，堆叠结构高度9μm；2）23年8月JBD发布全球首款0.22英寸2K分辨率单片全彩垂直堆叠Micro LED原型Phoenix，Phoenix原型叠层总厚度小于5μm，可最大限度地减少腔体内的吸收损耗，加上原生外延材料能够发出高通量密度的光，最终可实现高达100万尼特亮度，此外，全原生色彩方案能够实现窄的半峰全宽FWHM光谱，色彩质量和纯度更高，该原型计划于25年批量生产。