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探索 Micro LED 在 AR 領(lǐng)域的應(yīng)用與挑戰(zhàn)
來源：
時間：2024-07-15 15:30:42
在顯示技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)下，Micro LED 因其獨特的性能優(yōu)勢逐漸成為研究的熱點。特別是在 AR 領(lǐng)域，其應(yīng)用潛力備受關(guān)注。
Micro LED 以微米級的 LED 作為像素發(fā)光單元，具備高亮度、高對比度、高像素密度以及可拼接等眾多優(yōu)勢，當(dāng)前被視作最適配 AR 的顯示技術(shù)。
據(jù)了解，在現(xiàn)有的 AR 頭顯中，Micro OLED 憑借其在輕量化、高像素密度、對比度、響應(yīng)時間以及功耗等方面的出色表現(xiàn)，逐漸成為近年來新發(fā)布 AR 頭顯的主流顯示方案。然而，由于在亮度方面存在不足，Micro OLED 主要搭配如 Birdbath、自由曲面等光利用率高但輕型化受限的光學(xué)方案，在頭顯效果方面，更適合室內(nèi)環(huán)境的應(yīng)用。而 Micro LED 通過硅基技術(shù)與微米級 LED 相結(jié)合，能夠滿足高像素密度、高亮度、低功耗等一系列 AR 頭顯的性能要求，還可以結(jié)合光波導(dǎo)光學(xué)方案，實現(xiàn)設(shè)備的輕型化。
所以，從應(yīng)用需求的視角來看，AR 頭顯將會是 Micro LED 技術(shù)創(chuàng)新的最大推動力。特別是在蘋果取消 Micro LED 智能手表項目之后，這一需求變得更為關(guān)鍵和緊迫。
Micro LED 的各項參數(shù)表現(xiàn)出色，體積更為小巧。Micro LED 是基于 LED 的微型顯示技術(shù)，每個像素都能夠獨立發(fā)光，它有高密度和低密度的區(qū)分，應(yīng)用于 ARVR 的是高密度 Micro LED，PPI＞2000，LED 顆粒尺寸僅 1 - 10μm。Micro LED 的核心優(yōu)勢在于：其一，亮度極高（亮度可達十萬甚至百萬尼特，搭配衍射光波導(dǎo)入眼亮度能夠超過 1000nit 以上）；其二，響應(yīng)速度極快（達到納秒級別）；其三，體積更小，適合消費級 AR（JBD Micro LED 全彩光機“蜂鳥”0.4cc，對比 LBS/Micro OLED 0.5 - 1cc，新型 LCOS/DLP 1 - 2cc），此外，還具有對比度高、色域廣、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點。
不過，AR Micro LED 也存在一些難點。
首先，AR Micro LED 不涉及巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)：巨量轉(zhuǎn)移（將 LED 硅晶圓基板上生長的 Micro LED 轉(zhuǎn)移到驅(qū)動背板）是 Micro LED 量產(chǎn)制造的核心難題，對于轉(zhuǎn)移良率和精準(zhǔn)度的要求極高。但由于 AR 顯示器面積較小，像素尺寸和間距只有幾微米，所以不涉及巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)。
其次，存在 Micro LED 側(cè)壁效應(yīng)：隨著 Micro LED 像素尺寸的縮小、芯片的周長面積比增大，導(dǎo)致側(cè)壁的表面復(fù)合增多，非輻射復(fù)合速率變大，進而使得光電效率下降。此外，在器件制備過程中的 ICP 刻蝕也會加重側(cè)壁缺陷，側(cè)壁效應(yīng)會影響 Micro LED 的實際功耗表現(xiàn)。
再者，Micro LED 存在紅光效率低的問題：藍光、綠光 LED 是在藍寶石、碳化硅或硅襯底上生長 InGaN 等三元材料，紅光 LED 大多是在 GaAs 襯底上生長 ALGaInP 四元材料。相較于藍綠光，AlGaInP 紅光 Micro LED 尺寸減小導(dǎo)致效率下降更為顯著。通過材料創(chuàng)新（例如 InGaN 紅光 Micro LED ）和技術(shù)優(yōu)化是解決這一問題的主要途徑。2023 年 10 月，JBD 宣布其 0.13 英寸 Micro LED 紅光芯片亮度突破 100 萬尼特大關(guān)。其中，新一代 AlGaInP 外延技術(shù)極大地減弱了 Micro LED 表面非輻射復(fù)合的影響，延緩了紅光 Micro LED 在＜5um 尺寸下的光效急劇衰減的趨勢，結(jié)合芯片鈍化技術(shù)，進一步突破了紅光尺寸效應(yīng)的瓶頸。
另外，Micro LED 全彩化技術(shù)復(fù)雜：全彩 Micro LED 量產(chǎn)難度大且成本高，應(yīng)用產(chǎn)品較少。據(jù) LEDinside 統(tǒng)計，2023 年有 9 款 Micro LED AR 眼鏡發(fā)布/上市（2022 年僅 3 款），其中 6 款是單色 Micro LED。當(dāng)前 Micro LED 全彩化技術(shù)主要分為三類：合色技術(shù)、量子點技術(shù)和單片堆疊技術(shù)。
合色技術(shù)方面，目前在 AR 領(lǐng)域全彩 Micro LED 已量產(chǎn)的技術(shù)是合色技術(shù)。一是 X - Cube 合色（棱鏡合色）：R、G、B 三個單色面板分別固定在 X - cube（棱鏡）三個面，三色通過 X - cube 合色后通過第四個面發(fā)出，并由一組微透鏡準(zhǔn)直和投射，X - cube 方案模組體積小于 1.4cc。二是光波導(dǎo)合色：使用 R、G、B 三個獨立單色光機進行合色，一般搭配多層光波導(dǎo)/多個波導(dǎo)耦入口實現(xiàn)合色。
量子點技術(shù)方面，通過 UV/藍光 LED 發(fā)光激發(fā)量子點或熒光粉材料實現(xiàn)色彩轉(zhuǎn)換，由于熒光粉粒徑較大，一般采用量子點，量子點被激發(fā)后易于調(diào)控出射光的發(fā)射波長，可以發(fā)出 RGB 三色光，通過色彩配比實現(xiàn)全彩化。由于量子點具有較窄的半峰寬和較寬的吸收光譜，且發(fā)光效率很高，因此顯示的色彩純度和飽和度較高。但目前量子化技術(shù)實際應(yīng)用面臨材料穩(wěn)定性差、壽命短、顏色均勻性不佳等問題。
單片堆疊技術(shù)方面，單片式全彩 Micro LED 具備更廣泛的應(yīng)用價值，視場角更大、光機體積更小，簡化了 AR 眼鏡系統(tǒng)級集成，減少了光學(xué)損耗，可實現(xiàn)更高的波導(dǎo)準(zhǔn)直效率。比如，2023 年 2 月 MIT 團隊使用二維材料層轉(zhuǎn)移開發(fā)出全彩垂直堆疊 Micro LED，陣列密度達 5100PPI，尺寸僅 4μm，堆疊結(jié)構(gòu)高度 9μm；2023 年 8 月 JBD 發(fā)布全球首款 0.22 英寸 2K 分辨率單片全彩垂直堆疊 Micro LED 原型 Phoenix，Phoenix 原型疊層總厚度小于 5μm，可最大限度地減少腔體內(nèi)的吸收損耗，加上原生外延材料能夠發(fā)出高通量密度的光，最終可實現(xiàn)高達 100 萬尼特亮度，此外，全原生色彩方案能夠?qū)崿F(xiàn)窄的半峰全寬 FWHM 光譜，色彩質(zhì)量和純度更高，該原型計劃于 2025 年批量生產(chǎn)。
盡管 Micro LED 在 AR 領(lǐng)域的應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，相信這些問題都將逐步得到解決，為 AR 顯示帶來更為出色的體驗。
Micro LED 以微米級的 LED 作為像素發(fā)光單元，具備高亮度、高對比度、高像素密度以及可拼接等眾多優(yōu)勢，當(dāng)前被視作最適配 AR 的顯示技術(shù)。
據(jù)了解，在現(xiàn)有的 AR 頭顯中，Micro OLED 憑借其在輕量化、高像素密度、對比度、響應(yīng)時間以及功耗等方面的出色表現(xiàn)，逐漸成為近年來新發(fā)布 AR 頭顯的主流顯示方案。然而，由于在亮度方面存在不足，Micro OLED 主要搭配如 Birdbath、自由曲面等光利用率高但輕型化受限的光學(xué)方案，在頭顯效果方面，更適合室內(nèi)環(huán)境的應(yīng)用。而 Micro LED 通過硅基技術(shù)與微米級 LED 相結(jié)合，能夠滿足高像素密度、高亮度、低功耗等一系列 AR 頭顯的性能要求，還可以結(jié)合光波導(dǎo)光學(xué)方案，實現(xiàn)設(shè)備的輕型化。
所以，從應(yīng)用需求的視角來看，AR 頭顯將會是 Micro LED 技術(shù)創(chuàng)新的最大推動力。特別是在蘋果取消 Micro LED 智能手表項目之后，這一需求變得更為關(guān)鍵和緊迫。
Micro LED 的各項參數(shù)表現(xiàn)出色，體積更為小巧。Micro LED 是基于 LED 的微型顯示技術(shù)，每個像素都能夠獨立發(fā)光，它有高密度和低密度的區(qū)分，應(yīng)用于 ARVR 的是高密度 Micro LED，PPI＞2000，LED 顆粒尺寸僅 1 - 10μm。Micro LED 的核心優(yōu)勢在于：其一，亮度極高（亮度可達十萬甚至百萬尼特，搭配衍射光波導(dǎo)入眼亮度能夠超過 1000nit 以上）；其二，響應(yīng)速度極快（達到納秒級別）；其三，體積更小，適合消費級 AR（JBD Micro LED 全彩光機“蜂鳥”0.4cc，對比 LBS/Micro OLED 0.5 - 1cc，新型 LCOS/DLP 1 - 2cc），此外，還具有對比度高、色域廣、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點。
不過，AR Micro LED 也存在一些難點。
首先，AR Micro LED 不涉及巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)：巨量轉(zhuǎn)移（將 LED 硅晶圓基板上生長的 Micro LED 轉(zhuǎn)移到驅(qū)動背板）是 Micro LED 量產(chǎn)制造的核心難題，對于轉(zhuǎn)移良率和精準(zhǔn)度的要求極高。但由于 AR 顯示器面積較小，像素尺寸和間距只有幾微米，所以不涉及巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)。
其次，存在 Micro LED 側(cè)壁效應(yīng)：隨著 Micro LED 像素尺寸的縮小、芯片的周長面積比增大，導(dǎo)致側(cè)壁的表面復(fù)合增多，非輻射復(fù)合速率變大，進而使得光電效率下降。此外，在器件制備過程中的 ICP 刻蝕也會加重側(cè)壁缺陷，側(cè)壁效應(yīng)會影響 Micro LED 的實際功耗表現(xiàn)。
再者，Micro LED 存在紅光效率低的問題：藍光、綠光 LED 是在藍寶石、碳化硅或硅襯底上生長 InGaN 等三元材料，紅光 LED 大多是在 GaAs 襯底上生長 ALGaInP 四元材料。相較于藍綠光，AlGaInP 紅光 Micro LED 尺寸減小導(dǎo)致效率下降更為顯著。通過材料創(chuàng)新（例如 InGaN 紅光 Micro LED ）和技術(shù)優(yōu)化是解決這一問題的主要途徑。2023 年 10 月，JBD 宣布其 0.13 英寸 Micro LED 紅光芯片亮度突破 100 萬尼特大關(guān)。其中，新一代 AlGaInP 外延技術(shù)極大地減弱了 Micro LED 表面非輻射復(fù)合的影響，延緩了紅光 Micro LED 在＜5um 尺寸下的光效急劇衰減的趨勢，結(jié)合芯片鈍化技術(shù)，進一步突破了紅光尺寸效應(yīng)的瓶頸。
另外，Micro LED 全彩化技術(shù)復(fù)雜：全彩 Micro LED 量產(chǎn)難度大且成本高，應(yīng)用產(chǎn)品較少。據(jù) LEDinside 統(tǒng)計，2023 年有 9 款 Micro LED AR 眼鏡發(fā)布/上市（2022 年僅 3 款），其中 6 款是單色 Micro LED。當(dāng)前 Micro LED 全彩化技術(shù)主要分為三類：合色技術(shù)、量子點技術(shù)和單片堆疊技術(shù)。
合色技術(shù)方面，目前在 AR 領(lǐng)域全彩 Micro LED 已量產(chǎn)的技術(shù)是合色技術(shù)。一是 X - Cube 合色（棱鏡合色）：R、G、B 三個單色面板分別固定在 X - cube（棱鏡）三個面，三色通過 X - cube 合色后通過第四個面發(fā)出，并由一組微透鏡準(zhǔn)直和投射，X - cube 方案模組體積小于 1.4cc。二是光波導(dǎo)合色：使用 R、G、B 三個獨立單色光機進行合色，一般搭配多層光波導(dǎo)/多個波導(dǎo)耦入口實現(xiàn)合色。
量子點技術(shù)方面，通過 UV/藍光 LED 發(fā)光激發(fā)量子點或熒光粉材料實現(xiàn)色彩轉(zhuǎn)換，由于熒光粉粒徑較大，一般采用量子點，量子點被激發(fā)后易于調(diào)控出射光的發(fā)射波長，可以發(fā)出 RGB 三色光，通過色彩配比實現(xiàn)全彩化。由于量子點具有較窄的半峰寬和較寬的吸收光譜，且發(fā)光效率很高，因此顯示的色彩純度和飽和度較高。但目前量子化技術(shù)實際應(yīng)用面臨材料穩(wěn)定性差、壽命短、顏色均勻性不佳等問題。
單片堆疊技術(shù)方面，單片式全彩 Micro LED 具備更廣泛的應(yīng)用價值，視場角更大、光機體積更小，簡化了 AR 眼鏡系統(tǒng)級集成，減少了光學(xué)損耗，可實現(xiàn)更高的波導(dǎo)準(zhǔn)直效率。比如，2023 年 2 月 MIT 團隊使用二維材料層轉(zhuǎn)移開發(fā)出全彩垂直堆疊 Micro LED，陣列密度達 5100PPI，尺寸僅 4μm，堆疊結(jié)構(gòu)高度 9μm；2023 年 8 月 JBD 發(fā)布全球首款 0.22 英寸 2K 分辨率單片全彩垂直堆疊 Micro LED 原型 Phoenix，Phoenix 原型疊層總厚度小于 5μm，可最大限度地減少腔體內(nèi)的吸收損耗，加上原生外延材料能夠發(fā)出高通量密度的光，最終可實現(xiàn)高達 100 萬尼特亮度，此外，全原生色彩方案能夠?qū)崿F(xiàn)窄的半峰全寬 FWHM 光譜，色彩質(zhì)量和純度更高，該原型計劃于 2025 年批量生產(chǎn)。
盡管 Micro LED 在 AR 領(lǐng)域的應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，相信這些問題都將逐步得到解決，為 AR 顯示帶來更為出色的體驗。
