AR顯示之硅基Micro LED技術問題及全彩化分析

Micro LED以微米級LED作為像素發光單元，具有高亮度、高對比度、高像素密度、可拼接等多重優勢。目前被認為是最適合AR的顯示技術。

據悉，目前AR頭顯中，MicroOLED以輕量化、高像素密度、對比度、響應時間、功耗等方面的優勢，逐漸成為近年來新晉發布AR頭顯的主流顯示方案。不過由于在亮度方面的缺陷，MicroOLED主要搭配Birdbath、自由曲面等光利用率高、而輕型化受限化的光學方案，在頭顯效果上，更適合室內應用。而Micro LED，通過硅基技術結合微米級LED，可滿足高像素密度、高亮度、低功耗等一系列AR頭顯的性能要求，也可結合光波導光學方案，實現設備輕型化。

因此，從應用需求角度而言，AR頭顯將是Micro LED技術革新的最大驅動力。尤其，在蘋果取消Micro LED智能手表項目之后，這一訴求變得更為關鍵和迫切。

Micro LED各項參數優勢顯著，體積更小。Micro LED是基于LED的微型顯示技術，每個像素均可自主發光，Micro LED有高密度和低密度之分，應用于ARVR的是高密度Micro LED，PPI＞2000，LED顆粒尺寸僅1-10μm。Micro LED核心優勢在于：1）亮度高（亮度十萬甚至百萬尼特，搭配衍射光波導入眼亮度可達1000nit以上）；2）響應速度快（納秒級別）；3）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），此外還具備對比度高、色域廣、功耗低、使用壽命長等優點。

AR Micro LED不涉及巨量轉移技術，但存在側壁效應、紅光效率低、全彩化技術復雜等難點。

一、AR Micro LED不涉及巨量轉移技術：巨量轉移（將LED硅晶圓基板上生長的Micro LED轉移到驅動背板）是MicroLED量產制造核心難題，轉移良率和精準度要求極高，但由于AR顯示器面積小，像素尺寸和間距只有幾微米，不涉及巨量轉移技術。

二、Micro LED側壁效應：Micro LED像素尺寸縮小、芯片的周長面積比增大，導致側壁的表面復合增多，非輻射復合速率變大，從而致使光電效率下降，此外器件制備過程中的ICP刻蝕也會加重側壁缺陷，側壁效應會影響Micro LED實際功耗表現。

三、 Micro LED紅光效率不足：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尺寸減小導致效率下降更為明顯。材料創新

（例如InGaN紅光Micro LED ）和技術優化是解決Micro LED紅光效率不足的主要途徑，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，其中，新一代AlGaInP 外延技術極大減弱了 Micro LED 表面非輻射復合影響，延緩了紅光 Micro LED 在＜5um 尺寸下的光效急劇衰減的趨勢，結合芯片鈍化技術，進一步突破了紅光尺寸效應瓶頸。

Micro LED全彩化技術復雜：全彩Micro LED量產難度和成本較高，應用產品較少，據LEDinside統計，2023年有9款Micro LED AR眼鏡發布/上市（2022年僅3款），其中6款是單色Micro LED。當前Micro LED全彩化技術主要分為三類：合色技術、量子點技術和單片堆疊技術。

一、合色技術：目前AR領域全彩Micro LED已量產的技術是合色技術，1）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出，并由一組微透鏡準直和投射，X-cube方案模組體積小于1.4cc。2）光波導合色：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/多個波導耦入口實現合色。

二、 量子點技術：通過UV/藍光LED發光激發量子點或熒光粉材料實現色彩轉換，由于熒光粉粒徑較大，一般采用量子點，量子點被激發后易于調控出射光的發射波長，可以發出RGB三色光，通過色彩配比實現全彩化。由于量子點具有較窄的半峰寬和較寬的吸收光譜，且發光效率很高，因此顯示的色彩純度和飽和度較高。目前量子化技術實際應用的挑戰主要在于材料穩定性差、壽命短、顏色均勻性不佳等問題。

三、單片堆疊技術：單片式全彩Micro LED具備更廣泛的應用價值，視場角更大、光機體積更小，簡化了AR眼鏡系統級集成，減少了光學損耗，可實現更高的波導準直效率。1）2023年2月MIT團隊使用二維材料層轉移開發出全彩垂直堆疊Micro LED，陣列密度達5100PPI，尺寸僅4μm，堆疊結構高度9μm；2）2023年8月JBD發布全球首款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的吸收損耗，加上原生外延材料能夠發出高通量密度的光，最終可實現高達100萬尼特亮度，此外，全原生色彩方案能夠實現窄的半峰全寬FWHM光譜，色彩質量和純度更高，該原型計劃于 2025 年批量生產。