在增强现实（AR）技术快速发展的当下，近眼显示作为 AR 设备的核心环节，其性能直接决定用户体验。显示方案与光学方案的适配性是提升 AR 设备性能的关键 —— 不同光学方案对屏幕亮度、功耗等需求存在差异，只有两者高效协同，才能实现 “1+1＞2” 的效果。在众多显示方案中，MicroLED 凭借与光波导的高度适配性，被公认为 AR 近眼显示的终极方案。本文将深入解析 MicroLED 技术特性、与其他显示方案的对比优势，以及其在 AR 应用中面临的核心技术挑战。
显示方案之争：为何 MicroLED 成光波导终极搭档？
AR 近眼显示的核心需求是 “高亮度、高分辨率、低功耗、小体积”，而这一需求的实现高度依赖显示方案与光学方案的适配。目前市场上的显示方案主要包括 LCOS、DLP、LBS、MicroOLED 和 MicroLED，其适配性与应用场景各有侧重。
LCOS、DLP 方案虽成熟，但分辨率与功耗平衡不足，更适合特定工业场景。LBS 方案在亮度控制上存在局限，难以满足消费级 AR 设备的长期使用需求。MicroOLED+BirdBath 方案凭借成本与显示效果的均衡，成为消费级 AR 眼镜的快速落地方案，加速了 AR 设备的普及，但 MicroOLED 亮度低、寿命短的短板难以适配光效极低的光波导技术 —— 光波导作为未来主流光学方案，对显示屏幕的亮度要求极高，MicroOLED 无法实现正常入眼亮度，应用受限。
相比之下，MicroLED 在亮度、对比度、刷新率、功耗、体积等核心指标上均表现优异。既继承了 MicroOLED 高分辨率、高 PPI、高刷新率的特点，又凭借无机 LED 的特性，进一步提升了响应速度、色域覆盖，同时解决了 MicroOLED 亮度不足（MicroLED 亮度可达数万尼特）、寿命短的痛点。这种 “全维度优势” 使其与光波导技术形成完美适配，成为 AR 近眼显示的终极选择。近年来，搭载 “光波导 + MicroLED” 方案的 AR 眼镜数量逐年提升，印证了市场对这一组合的认可。
MicroLED 技术内核：定义与核心优势
MicroLED 即 LED 微缩化与矩阵化技术，其核心是将 LED 结构进行薄膜化、微小化、阵列化处理，使像素单元缩小至 100μm（P0.1）以下，同时实现每个像素的单独定址与驱动发光。
从技术特性看，MicroLED 的优势集中在三方面。
目前，高像素密度（高 PPI）的 MicroLED 显示屏已成为 AR/VR/MR 领域的核心技术方向，其中 AR 眼镜是其最具潜力的应用场景。
MicroLED 技术难点：从实验室到量产的核心挑战
尽管 MicroLED 优势显著，但要实现高像素密度 AR 显示的规模化应用，仍需突破四大技术难点：衬底制备、芯片结构、键合工艺与全彩显示。
Micro LED 微显示器制作流程
1 、衬底制备：微缩制程下的 “基础工程”
衬底是 MicroLED 外延生长的基础，其质量直接影响器件性能。高像素密度 MicroLED 对衬底的要求远超传统 LED，核心挑战集中在三方面。
1）波长均匀性控制：MicroLED 是自发光显示技术，波长不均匀会导致显色差异，严重影响显示效果。因此，外延片单片波长变化标准差需控制在 0.8nm 以内。但随着衬底尺寸增大，外延过程中气流与温度均匀性更难控制，给 MOCVD（金属有机化学气相沉积）工艺带来极大挑战。
2）缺陷密度管控：微缩制程下，MicroLED 对缺陷更为敏感。例如，2x2μm 的缺陷在 250x250μm 的传统 LED 芯片上影响可忽略，但在 5x5μm 的 MicroLED 芯片上，可用发光面积仅剩 84%。为保证良率，缺陷密度需控制在 0.1/cm² 以下，这对生产环境洁净度、设备精度提出极高要求。
3）侧壁损伤问题：刻蚀工艺导致的侧壁损伤会大幅缩减 MicroLED 可用发光面积。例如，2μm 的侧壁缺陷在 250x250μm 的传统 LED 芯片上仅损失 3% 发光区，但在 5x5μm 的 MicroLED 芯片上，可用发光区仅剩 4%。
当前主流衬底材料各有优劣：蓝宝石衬底成本低但均匀性不足；硅衬底具备低成本、大面积、导电导热性好的优势，均匀性更优，但与 GaN 外延层存在晶格失配与热失配，导致位错密度较高；GaN 衬底可大幅提升晶体质量、降低位错密度，但制备难度极高、价格昂贵，且最大尺寸仅 4 英寸，难以满足商用需求。衬底材料的突破仍是 MicroLED 量产的关键前提。
衬底材料性能对比
2 、芯片结构：垂直结构成未来趋势
MicroLED 芯片结构主要分为倒装结构与垂直结构，两者在性能与工艺上差异显著。
1）倒装结构：正负电极分布在 P-GaN 和 N-GaN 台面同侧，无电极遮挡，出光面积较大，但易出现电流拥挤，影响发光均匀性，难以满足高像素密度需求。
2）垂直结构：通过激光剥离去除原生蓝宝石衬底，转移至导热系数更高的衬底上，散热能力显著提升；同时电极分布在器件上下两侧，电流分布更均匀，可提高峰值电流密度与出光功率密度，且能进一步缩小芯片尺寸，适配高像素密度需求。
目前，垂直结构被公认为 MicroLED 的发展趋势，但制备工艺复杂（如激光剥离、衬底转移）、成本高，量产能力仍需提升。
3、 键合工艺：晶圆级集成突破量产瓶颈
键合工艺是将 MicroLED 阵列与 CMOS 驱动背板连接的核心环节，直接影响器件良率与量产能力。当前主要有两种技术路线。
1）传统 Chip Bonding（Die to Die）：采用倒装芯片键合技术，需分别制造 MicroLED 阵列与硅基驱动 IC，通过铟凸块实现单个芯片的键合。但该方法存在对位精度要求高（不利于量产）、异质衬底热失配导致晶片弯曲、铟原子扩散形成凹陷等问题，难以满足大规模生产需求。
Micro LED 微显示器Die to Die 键合方案
2)Wafer to Wafer（晶圆级混合集成）：采用标准半导体工艺，将整片外延片与 CMOS 驱动背板进行晶圆级键合，再通过激光剥离或湿法腐蚀去除外延衬底，最终在 CMOS 驱动上制备 MicroLED 阵列。该技术无需高精度对准，可采用垂直芯片结构缩小尺寸，且基于半导体工艺实现批量生产，显著提升单线产能、降低成本，是突破量产瓶颈的关键技术。
全彩显示：从 “可用” 到 “优质” 的核心突破
全彩显示是 MicroLED 应用于 AR 设备的核心需求，目前主要有四种技术方案，成熟度与应用前景差异显著。
1)合光方案（光引擎 / X-cube）：通过光学棱镜将 RGB 三色 MicroLED 合成全彩显示，可提供高图像质量、高色彩饱和度，同时实现高亮度与低功耗，是目前最成熟的路线。
但存在红光发光效率不足、波长一致性难控制、光路与散热设计复杂等问题。目前 JBD 已实现该方案的量产，加速了全彩 MicroLED 的商用落地。
2)量子点色转换：通过蓝光 MicroLED 激发量子点产生红光与绿光，实现全彩显示。该方案无需三色 LED 阵列，简化了工艺，但量子点材料稳定性不足，长期使用易出现色偏，仍需技术优化。
3)三色堆叠方案：将 RGB 三色像素晶圆垂直堆叠形成单个像素，可大幅降低像素占空比，提升单位面积像素密度，满足 AR 设备小尺寸、高分辨率需求。但对外延、键合、电极设计要求极高，目前仅处于实验室研究或 Demo 展示阶段。
麻省理工学院等研究团队开发的垂直堆叠Micro LED 结构
4)单片直接外延：在同一衬底上直接外延生长 RGB 三色 MicroLED，工艺最简单但难度最大 ——GaN 基红光 LED 效率极低，InGaN 基绿光与蓝光波长控制难度大，短期内难以突破。
全彩显示的成熟度直接决定 MicroLED 在 AR 设备中的用户体验，合光方案的量产为行业提供了 “可用” 基础，而三色堆叠与单片外延的突破将是实现 “优质全彩” 的关键。
结语
MicroLED 凭借与光波导技术的高度适配性，以及在亮度、功耗、寿命等维度的全面优势，成为 AR 近眼显示的终极方案。尽管目前在衬底制备、芯片结构、键合工艺、全彩显示等环节仍面临技术挑战，但晶圆级集成、垂直结构、合光方案等技术的突破已为其量产铺平道路。随着产业链的持续投入，MicroLED 有望在未来 3-5 年实现消费级 AR 设备的规模化应用，推动 AR 技术从 “小众尝鲜” 走向 “大众普及”。(以上图片来源华西证券)
2025-07-31
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