中國(guó)科學(xué)院院士江風(fēng)益:全彩化、實(shí)用化AR制造技術(shù)有望取得突破

文章轉(zhuǎn)載自：中國(guó)電子報(bào)

10月19日至20日，由工業(yè)和信息化部、江西省人民政府主辦的2023世界VR產(chǎn)業(yè)大會(huì)在江西南昌召開(kāi)。在10月19日上午舉行的開(kāi)幕演講中，中國(guó)科學(xué)院院士、南昌大學(xué)教授、南昌實(shí)驗(yàn)室主任江風(fēng)益介紹了南昌在AR兩大核心硬件——微顯示屏和光波導(dǎo)鏡片研究方面取得的重要進(jìn)展：南昌實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)出晶圓級(jí)微型LED集成技術(shù)，已制備出高分辨率單色AR微顯示屏，突破行業(yè)瓶頸技術(shù)高光效微紅光；南昌虛擬現(xiàn)實(shí)研究院自主研發(fā)了全息光波導(dǎo)鏡片、模組和AR眼鏡。“南昌在三基色單色微顯示屏和全息光波導(dǎo)制造技術(shù)方面取得了可喜進(jìn)展，由此，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，有望突破全彩化、實(shí)用化AR制造技術(shù)。”江風(fēng)益說(shuō)。

AR硬件系統(tǒng)仍有兩大問(wèn)題亟待解決

隨著信息技術(shù)的迭代更新，互聯(lián)網(wǎng)正從移動(dòng)時(shí)代走向萬(wàn)物互聯(lián)的第三代互聯(lián)網(wǎng)。江風(fēng)益表示，第 一代互聯(lián)網(wǎng)是個(gè)人電腦互聯(lián)網(wǎng)，第二代互聯(lián)網(wǎng)是智能手機(jī)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，而正在發(fā)展中的第三代互聯(lián)網(wǎng)則是XR沉浸式互聯(lián)網(wǎng)。

“第三代互聯(lián)網(wǎng)主要有VR眼鏡、AR眼鏡等形式。VR眼鏡制造技術(shù)難度相對(duì)較低，目前制造技術(shù)相對(duì)成熟，在娛樂(lè)、教育等領(lǐng)域已有一定產(chǎn)業(yè)和規(guī)模應(yīng)用。而AR眼鏡的制造難度很高，目前制造技術(shù)尚未成熟，但其應(yīng)用潛力巨大，可被廣泛用于娛樂(lè)旅游、智能制造、醫(yī)療健康、輔助駕駛、軍事應(yīng)用等場(chǎng)景。”江風(fēng)益說(shuō)。

AR核心硬件包括微顯示屏、光波導(dǎo)、透鏡和處理器。近年來(lái)，光學(xué)技術(shù)、芯片技術(shù)和交互體驗(yàn)不斷改進(jìn)，AR產(chǎn)品不斷創(chuàng)新。然而，AR硬件系統(tǒng)仍有兩大問(wèn)題亟待解決：一是缺乏高亮度的高清全彩微顯示屏，二是缺乏高光效、輕薄的光波導(dǎo)鏡片。

為解決這兩大難題，南昌實(shí)驗(yàn)室（南昌大學(xué)國(guó)家硅基LED工程技術(shù)研究中心）經(jīng)過(guò)不斷研究，成功研發(fā)出晶圓級(jí)微型LED集成技術(shù)，并且制備出了高分辨率單色AR微顯示屏，這是基于南昌大學(xué)20多年硅基GaN（氮化鎵）半導(dǎo)體LED材料和芯片技術(shù)的積累，在實(shí)現(xiàn)了紅橙黃綠青藍(lán)紫七彩高效發(fā)光的基礎(chǔ)上取得的研究進(jìn)展。“這就是我們高光效紅綠藍(lán)三基色微型單色LED顯示屏，現(xiàn)在達(dá)到200萬(wàn)像素，像素尺寸4.5微米，最大亮度超過(guò)數(shù)百萬(wàn)尼特。”江風(fēng)益指著大屏幕介紹說(shuō)。

據(jù)介紹，南昌實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硅基GaN半導(dǎo)體LED材料芯片技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)微型LED和硅基CMOS驅(qū)動(dòng)電路集成提供優(yōu)選方案。GaN材料中載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度小，微型LED受側(cè)壁復(fù)合影響小，有利于制備各種顏色的高光效微型LED。硅基GaN微型LED與CMOS驅(qū)動(dòng)電路無(wú)熱失配，可實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合，轉(zhuǎn)移效率高、良率高。紅綠藍(lán)微型LED全部采用硅基GaN材料制備，整個(gè)體系可以實(shí)現(xiàn)無(wú)熱失配，有利于實(shí)現(xiàn)RGB混合集成。

南昌擁有世界少見(jiàn)的LED光源技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈

微型LED微顯示屏具有高亮度、高分辨率、高對(duì)比度、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，更適配AR設(shè)備顯示屏需求。然而，當(dāng)前，微型LED微顯示屏制造存在兩大關(guān)鍵難題。一是集成良率低。尺寸極小而數(shù)量又極大的微型LED像素與CMOS驅(qū)動(dòng)電路集成技術(shù)難度大、良率低；采用藍(lán)寶石襯底或GaAs（砷化鎵）襯底的微型LED與硅基CMOS電路集成，襯底熱失配導(dǎo)致熱應(yīng)力大、鍵合良率低，很難進(jìn)行大面積對(duì)準(zhǔn)鍵合。二是微紅光亮度低。微型LED芯片尺寸極小，受側(cè)壁影響，發(fā)光效率隨尺寸減小而降低。藍(lán)綠光像素采用GaN 材料制備，尺寸效應(yīng)相對(duì)較小。紅光采用傳統(tǒng)AlGaInP超高亮度發(fā)光二極管外延材料制備，隨芯片尺寸變小到微米級(jí)時(shí)，發(fā)光效率降低非常嚴(yán)重。可喜的是，南昌實(shí)驗(yàn)室已制備出紅綠藍(lán)三基色硅基GaN微型LED，突破行業(yè)瓶頸技術(shù)高光效微紅光。“要在同一種材料體系實(shí)現(xiàn)紅橙黃綠青藍(lán)紫高效發(fā)光，特別是發(fā)紅光，難度非常大。而我們使用的材料體系，微紅光效率可達(dá)26%，屬業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平，為微型LED全彩屏打下良好基礎(chǔ)。”江風(fēng)益表示。

此外，南昌VR研究院（國(guó)家虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新中心）在全息光波導(dǎo)方面的研究也有了新的進(jìn)展。江風(fēng)益介紹，光波導(dǎo)有陣列光波導(dǎo)、浮雕光柵光波導(dǎo)、全息光波導(dǎo)三條技術(shù)路線(xiàn)。全息光波導(dǎo)相較于陣列光波導(dǎo)和浮雕光柵光波導(dǎo)，其優(yōu)點(diǎn)在于顯示效果好，制造成本低，但高性能全息材料較為缺乏，制造工藝還不成熟。目前，南昌VR研究院研發(fā)的全息材料核心性能參數(shù)在公開(kāi)文獻(xiàn)中處于世界第二位。同時(shí)，研發(fā)出了全息光波導(dǎo)鏡片、模組和AR眼鏡。其主要亮點(diǎn)為單層波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)RGB三色顯示、光效率高達(dá)2000 nit/lumen、鏡片成像清晰，顯示效果較好。

“南昌擁有世界少見(jiàn)的、完整的LED光源技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈。既有紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七彩LED芯片，硅襯底LED、藍(lán)寶石襯底LED、砷化鎵襯底LED，又有大、中、小、mini、Micro各種尺寸LED芯片；既有配套的有機(jī)源制造廠商，也有高端裝備MOCVD設(shè)備制造廠商，且上下游產(chǎn)業(yè)鏈齊全，未來(lái)將為發(fā)展近眼顯示技術(shù)和產(chǎn)業(yè)提供重要支撐！”江風(fēng)益說(shuō)。