在科技飛速發展的當下，MicroLED微顯示芯片成為眾多前沿領域的關鍵技術支撐。據TrendForce《2024近眼顯示市場趨勢與技術分析》報告，MicroLED預計將在2024年占據AR裝置市場18%的份額。到2030年，AR裝置市場規模有望達到2550萬臺，MicroLED的市場份額預計將增至44%，展現出廣闊的市場前景。
此外，隨著技術不斷成熟，MicroLED獨有的超小體積、超高亮度和超低功耗的特性，逐步取代DLP光機的霸主地位，將進一步推動如微型投影儀、數字化車燈、3D打印機、車載HUD等產品的升級。
在這場技術角逐中，鴻石智能憑借持續的創新與攻堅，成功在硅基MicroLED微顯示芯片領域取得多項突破性進展，成為行業矚目的焦點。本文將和大家分享近年來鴻石智能在MicroLED技術領域的一系列探索成果。
光效提升：突破行業瓶頸
AR眼鏡，一直以來是MicroLED應用領域的“排頭兵”。據悉，2024年已有11家AR眼鏡廠商采用MicroLED光機作為其顯像源頭。
然而，受限于衍射光波導的低耦入效率，其入眼亮度需達到1000Nits，這意味著MicroLED芯片需提供高于250萬Nits的亮度以滿足入眼亮度指標，MicroLED芯片的單像素尺寸通常小于10μm。
而MicroLED微顯示芯片光效提升涉及多個技術維度的協同優化。
1、尺寸效應影響，以及剝離損傷影響
過去，傳統MicroLED制造多采用藍寶石外延片工藝。但藍寶石襯底外延片一般只能做４寸和６寸，而硅基外延片可以做到８寸和12寸。對于微顯示芯片制造，８寸和12寸擁有更好的性能和性價比，但也頗具技術挑戰。
藍寶石襯底剝離屬于有損剝離，在激光剝離制造過程中會損傷芯片外延層，致使各項光效參數在本質提升上困難重重。與之形成鮮明對比的是，鴻石智能專注于硅基襯底的MicroLED制造工藝，硅基作為無損剝離，能避免對外延層造成傷害，為光效提升奠定了良好基礎 。
簡單來說，尺寸效應會顯著影響外延片EQE，而外延片EQE的變化又會反饋影響芯片的整體性能表現。
在MicroLED這個如此小的尺度下，電子、光子等微觀粒子的行為會發生變化。這是什么概念？人的頭發絲直徑一般在50 - 70μm左右。相比之下，MicroLED芯片單像素尺寸比頭發絲細很多。
圖：鴻石智能極光A6 MicroLED微顯示芯片
外延片EQE與尺寸效應的相關性，由電流密度決定。一般情況下，外延片廠商對EQE的測試值往往基于40μ以上的尺寸，對于小尺寸的EQE數據基本缺失，顯然這不符合AR眼鏡類產品的適用需求。
而極光A6（單綠）MicroLED產品在像素間距（pitch）為3.75μm時，能夠實現10%以上的EQE；在藍色MicroLED的情況下，EQE可以達到10% - 15%。該數值進一步說明鴻石智能產品在小尺寸應用方面的優異性能水平。
2、側壁效應抑制
同樣，MicroLED芯片尺寸減小，側壁面積占比大幅增加。如當芯片尺寸縮小到15μm時，MicroLED的側壁發射比將增加184％，而MicroLED刻蝕過程中往往會造成側壁損傷。
在MicroLED單個像素的側壁處存在更多缺陷，不僅會加劇量子限制斯塔克效應（QCSE），讓空穴向側壁匯聚，增強非輻射復合（SRH），使電子和空穴復合時以熱能等形式損耗能量而非發光，導致光效降低；同時，傾斜側壁還會使多量子阱層的暴露面積增加，帶來更多缺陷，增強側壁處的電荷耦合效應，同樣對光的產生和出射不利，進一步降低光效 。
簡單來說，從晶體結構角度來看，原本完整、規則的晶體結構遭到破壞。就像整齊排列的積木被打亂一樣，晶體的原子排列有序性被打破，產生了諸如懸掛鍵、晶格畸變等缺陷。
對此，鴻石智能通過三種方式來實現側壁修復。
ALD（原子層沉積）技術能在原子尺度上精確控制薄膜的生長。通過ALD在側壁沉積特定的材料薄膜，薄膜中的原子可以與懸掛鍵結合，從而穩定懸掛鍵，減少其對電子和空穴的捕獲，降低非輻射復合。
也可以用鍍膜實現類似的原理，在側壁鍍上合適的膜層，膜層材料的原子與懸掛鍵發生化學反應或物理吸附，將懸掛鍵中和掉，使懸掛鍵的活性降低，減少對芯片性能的影響。
也可以通過濕法處理，利用特定的化學溶液與側壁接觸，溶液中的離子與懸掛鍵進行反應，將懸掛鍵轉化為穩定的化學鍵或其他穩定的物質，達到中和懸掛鍵的目的，最終提升 MicroLED芯片的光效和整體性能。
3、腔體結構優化
腔體結構設計主要通過優化光的產生、傳輸和出射過程來提升MicroLED的光效，優化光的產生。合理的腔體結構設計能改善芯片內部的電場分布，促進電子與空穴更有效地復合。
比如通過精準調控腔體尺寸和形狀，讓電子和空穴相遇復合的概率大幅增加，進而提高光子的產生效率；其次是減少光的傳輸損耗，通過選用高反射率材料制作腔體壁，有效減少光在傳播過程中的吸收和散射。
總的來說，鴻石智能通過對腔體結構設計的優化，有效減少光的損失，提升光在腔體內的利用效率，讓更多光有機會出射，進而提升光效。
精心設計的腔體結構可顯著增強光的出射效率。例如，采用微透鏡陣列等特殊結構，能改變光的出射角度，讓光更集中地從芯片正面射出，減少側面和背面的光損失。數據表明，使用微透鏡陣列結構的腔體，可使光的出射效率提高 40%。優化腔體與外界的耦合界面，也能減少光在界面處的反射，進一步提升光效。
4、光學反射層選擇
光學反射層對MicroLED光效的影響主要體現在光的反射、吸收和散射等方面，其設計和性能直接關系到MicroLED將電能轉化為有效出射光能的效率。
在MicroLED芯片中，有源區產生的光向各個方向發射，部分光會射向芯片的襯底或其他非出射方向。通過在芯片底部或側面設置光學反射層，能夠將這些光反射回芯片正面，增加從正面出射的光量，從而提高光提取效率，提升光效。
反之，如果光學反射層的材料選擇不當或結構設計不合理，會導致光在反射過程中被吸收，造成光能損失，降低光效。
鴻石智能通過引入合理有效設計的光學反射層，改變光的傳播路徑。將原本可能被吸收或逸出芯片無法有效利用的光反射回有源區或導向出射方向。在特定結構的MicroLED中，優化后的光學反射層可使光提取效率提高30%-50%。
圖：4寸和8寸晶圓的亮度隨電流變化曲線圖
圖：4寸和8寸晶圓的亮度隨功耗變化曲線圖
需要明確的是，即便微型MicroLED顯示芯片可以達到百萬甚至千萬尼特以上的超高亮度。
但實際上其像素點并不會同時全部發光，通常同時發光的像素點占比在 10% - 15%甚至更低，因此業內習慣用APL 10%來進行測量（以640x480的MicroLED微顯示芯片為例，只測量30萬個發光點中的3萬個），這便于大家理解和統一測試方式。
目前業內按照APL10%來計算光效值，在0.12單綠色，鴻石智能經過兩年的技術攻關已成功將MicroLED微顯示芯片的平均光效提升至300萬尼特（功耗100mW），這一成果標志著鴻石智能在全球8寸硅基微顯示芯片領域實現了量產光電效率的最高水平。
均勻度領先：鑄就卓越顯示效果
均勻度是MicroLED微顯示芯片顯示效果的關鍵指標之一。由于投影尺寸通常是芯片尺寸的1萬倍以上，任何不均勻性都會在顯示效果中被顯著放大。
關鍵技術層面，MicroLED制備在鍍膜工藝方面對其均勻性的影響最為直接。
圖： Demura專用高倍成像亮度計拍攝圖片（純白圖）
首先是膜厚均勻度控制。制造MicroLED芯片過程中，薄膜的厚度需要精確控制，使其保持高度均勻性。因為膜厚的不均勻會直接影響芯片的性能，也會導致芯片不同區域的光學特性存在差異，進而影響發光均勻度。只有將膜厚控制在合適的范圍內，才能提高芯片的整體均勻度。所以，實現良好的鍍膜均勻性是提高芯片均勻度的關鍵技術之一。
其次是刻蝕一致性。刻蝕過程對芯片的結構和性能有重要影響，良好的刻蝕一致性能夠保證刻蝕過程的穩定性和一致性，避免因刻蝕過度或不足導致芯片結構不均勻，從而影響均勻度。這也是在提升芯片均勻度過程中需要重點關注和優化的技術環節。
圖：0.12寸640*480綠光MicroLED芯片均勻度達到98%
在均勻度指標方面，鴻石智能成果顯著。目前其MicroLED 芯片均勻度已達到98%，在業界處于領先地位。與之對比，其他企業目前交付的領先標準為均勻度90%，而大多數廠商僅為 80%，甚至部分廠商回避談及這一指標。
事實上，均勻度提升并無捷徑可言。
任何公司在MicroLED芯片均勻度方面都是逐步提升的，并非一蹴而就。鴻石智能通過穩定的8寸晶圓工藝制程和先進的Demura校正技術，同樣經歷了從較低水平（60%）到較高水平（90+%）的發展過程，這也使得鴻石智能在技術研發和工藝改進上不斷努力，逐步積累經驗，進而取得顯著進步。
屏幕缺陷控制、光學耦合優化
在屏幕缺陷方面，MicroLED芯片屏幕缺陷行業標準嚴苛，亮點數必須為0，連續暗點數超過1個即不合格，單個暗點數需控制在100以內，這對產品工藝一致性要求極高。
因為光電器件對生產中的工藝一致性、溫度控制、潔凈度等條件敏感，細微變化都會影響單個像素的IV曲線和IL曲線。經過兩年技術攻關，鴻石智能成功實現無亮點、無連續暗點，將單像素暗點數控制在萬分之一，30個暗點以內，達到行業領先水平。
圖：Micro-LED的發光角
在光學耦合方面，當MicroLED芯片耦入衍射光波導時，提升能量是關鍵需求，而這其中光束發散角的控制至關重要。研究表明，當發光半角超過±30°時，將會導致顯著的光能損失，極大地影響了能量的有效傳輸和利用。
傳統LED器件呈現典型的朗伯體輻射特性，發光半角達±60°，這使得其光波導耦合效率受限。為解決這一問題，鴻石智能采用創新性方案：
通過晶圓級微納加工技術，在Micro-LED出光表面制備微透鏡陣列。利用其光束準直特性，將輻射半角精準壓縮至±25°-30°范圍。實驗驗證，該結構使軸向光強提升2.8倍，同時有效抑制了±35°以外的雜散光，滿足了高密度集成光波導系統對光源定向性的嚴苛要求 。
生產效率、良率與成本優勢：打造綜合競爭力
MicroLED微顯示芯片制造包含八大工藝及兩百多個小工序，其中主要工藝是指外延片生長、鍵合與剝離，光刻、刻蝕、鍍膜、電極制作、芯片切割、封裝、測試與分選。由于其在極其微小的尺度上進行操作且對精度要求極高，這也導致工藝難度居高不下。
做一個類比，MicroLED是一種由微米級的LED芯片組成的顯示技術，在MicroLED的制造中，氮化鎵憑借其優良的半導體特性，因此氮化鎵也是MicroLED制造技術中常用的關鍵材料。
同時，氮化鎵雷達作為在飛機、火箭等領域應用的先進技術，其中的發射端所使用的材料與MicroLED是一樣的，都是氮化鎵。然而氮化鎵雷達中一般擁有大量的發射器（大概是10 萬個氮化鎵功率晶體管），需要保證這些管子的功率均勻度和一致性，以確保雷達性能。
目前在氮化鎵雷達技術方面，全世界只有中國和美國能夠實現，可見其技術難度之高。然而，氮化鎵雷達的發射器尺寸在100μm×100μm以上，MicroLED只有4μm×4μm，在如此小的尺寸下實現均勻度和一致性的挑戰更為艱巨。
目標上，MicroLED的制造一是不能引入臟污，否則可能會影響產品質量；二是要保持一致性，因為一致性不好就無法達到設計圖形的要求，進而影響產品性能和功能。而芯片的核心成本是生產成本而非材料成本，因此對于襯底尺寸的選擇就尤為重要。
鴻石智能在納米級膜厚均勻性控制上，精準將其控制在±3%以內，有效保障載流子的高效輸運；在等離子體刻蝕方面，把各向異性偏差嚴格控制在＜5°，確保了亞微米級臺面結構形貌的一致性；同時，在百級潔凈環境下，將顆粒污染控制在0.1個 /cm²量級，最大程度避免了發光單元的失效。
此外，鴻石智能選擇的8寸硅基襯底，其設備生產效率遠高于4寸，對比4寸生產一次和8寸生產一次的成本，在時間相同的情況下，8寸設備生產的產品在生產成本上只有4寸設備生產產品的1/6，而生產成本占整個芯片成本的80%，所以8寸設備生產具有明顯的成本優勢。
且8寸比4寸效率高，因為8寸設備的基臺屬于標準設備，大晶圓如8寸相較于4寸，同一時間加工的數量更多。已知8寸和4寸襯底的單個芯片加工量分別為2412片和380片，8 寸晶圓一次性生產效率是4寸片的六倍，生產效率優勢明顯。
而且鴻石智能通過嚴格的工藝過程質量把控，成功實現了較高的產品良率。
在關鍵工藝窗口上，鴻石智能將其擴展至理論值的85%以上，遠超行業平均水平。而與傳統4英寸工藝相比，鴻石智能的8英寸產線優勢顯著。工藝均勻性提升了2.3倍，使得產品質量更加穩定可靠；單片產能提升4.8倍，極大提高了生產效率；總體制造成本降低了50%。
在保障產品品質的同時，鴻石智能實現了成本的大幅優化，為客戶提供更具性價比的產品與服務。
