鴻石智能硅基MicroLED微顯示技術(shù)突破：點(diǎn)亮未來顯示新視界

在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，MicroLED微顯示芯片成為眾多前沿領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)支撐。據(jù)TrendForce《2024近眼顯示市場趨勢與技術(shù)分析》報告，MicroLED預(yù)計將在2024年占據(jù)AR裝置市場18%的份額。到2030年，AR裝置市場規(guī)模有望達(dá)到2550萬臺，MicroLED的市場份額預(yù)計將增至44%，展現(xiàn)出廣闊的市場前景。

此外，隨著技術(shù)不斷成熟，MicroLED獨(dú)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(jī)的霸主地位，將進(jìn)一步推動如微型投影儀、數(shù)字化車燈、3D打印機(jī)、車載HUD等產(chǎn)品的升級。

在這場技術(shù)角逐中，鴻石智能憑借持續(xù)的創(chuàng)新與攻堅，成功在硅基MicroLED微顯示芯片領(lǐng)域取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展，成為行業(yè)矚目的焦點(diǎn)。本文將和大家分享近年來鴻石智能在MicroLED技術(shù)領(lǐng)域的一系列探索成果。

光效提升：突破行業(yè)瓶頸

AR眼鏡，一直以來是MicroLED應(yīng)用領(lǐng)域的“排頭兵”。據(jù)悉，2024年已有11家AR眼鏡廠商采用MicroLED光機(jī)作為其顯像源頭。

然而，受限于衍射光波導(dǎo)的低耦入效率，其入眼亮度需達(dá)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(biāo)，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(shù)維度的協(xié)同優(yōu)化。

1、尺寸效應(yīng)影響，以及剝離損傷影響

過去，傳統(tǒng)MicroLED制造多采用藍(lán)寶石外延片工藝。但藍(lán)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(shù)挑戰(zhàn)。

藍(lán)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(xiàng)光效參數(shù)在本質(zhì)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(chǔ) 。

簡單來說，尺寸效應(yīng)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(xiàn)。

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(fā)生變化。這是什么概念？人的頭發(fā)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(fā)絲細(xì)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(yīng)的相關(guān)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(shù)據(jù)基本缺失，顯然這不符合AR眼鏡類產(chǎn)品的適用需求。

而極光A6（單綠）MicroLED產(chǎn)品在像素間距（pitch）為3.75μm時，能夠?qū)崿F(xiàn)10%以上的EQE；在藍(lán)色MicroLED的情況下，EQE可以達(dá)到10% - 15%。該數(shù)值進(jìn)一步說明鴻石智能產(chǎn)品在小尺寸應(yīng)用方面的優(yōu)異性能水平。

2、側(cè)壁效應(yīng)抑制

同樣，MicroLED芯片尺寸減小，側(cè)壁面積占比大幅增加。如當(dāng)芯片尺寸縮小到15μm時，MicroLED的側(cè)壁發(fā)射比將增加184％，而MicroLED刻蝕過程中往往會造成側(cè)壁損傷。

在MicroLED單個像素的側(cè)壁處存在更多缺陷，不僅會加劇量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE），讓空穴向側(cè)壁匯聚，增強(qiáng)非輻射復(fù)合（SRH），使電子和空穴復(fù)合時以熱能等形式損耗能量而非發(fā)光，導(dǎo)致光效降低；同時，傾斜側(cè)壁還會使多量子阱層的暴露面積增加，帶來更多缺陷，增強(qiáng)側(cè)壁處的電荷耦合效應(yīng)，同樣對光的產(chǎn)生和出射不利，進(jìn)一步降低光效 。

簡單來說，從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，原本完整、規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shí)現(xiàn)側(cè)壁修復(fù)。

ALD（原子層沉積）技術(shù)能在原子尺度上精確控制薄膜的生長。通過ALD在側(cè)壁沉積特定的材料薄膜，薄膜中的原子可以與懸掛鍵結(jié)合，從而穩(wěn)定懸掛鍵，減少其對電子和空穴的捕獲，降低非輻射復(fù)合。

也可以用鍍膜實(shí)現(xiàn)類似的原理，在側(cè)壁鍍上合適的膜層，膜層材料的原子與懸掛鍵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(xué)溶液與側(cè)壁接觸，溶液中的離子與懸掛鍵進(jìn)行反應(yīng)，將懸掛鍵轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)鍵或其他穩(wěn)定的物質(zhì)，達(dá)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要通過優(yōu)化光的產(chǎn)生、傳輸和出射過程來提升MicroLED的光效，優(yōu)化光的產(chǎn)生。合理的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計能改善芯片內(nèi)部的電場分布，促進(jìn)電子與空穴更有效地復(fù)合。

比如通過精準(zhǔn)調(diào)控腔體尺寸和形狀，讓電子和空穴相遇復(fù)合的概率大幅增加，進(jìn)而提高光子的產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，有效減少光的損失，提升光在腔體內(nèi)的利用效率，讓更多光有機(jī)會出射，進(jìn)而提升光效。

精心設(shè)計的腔體結(jié)構(gòu)可顯著增強(qiáng)光的出射效率。例如，采用微透鏡陣列等特殊結(jié)構(gòu)，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(cè)面和背面的光損失。數(shù)據(jù)表明，使用微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的腔體，可使光的出射效率提高 40%。優(yōu)化腔體與外界的耦合界面，也能減少光在界面處的反射，進(jìn)一步提升光效。

4、光學(xué)反射層選擇

光學(xué)反射層對MicroLED光效的影響主要體現(xiàn)在光的反射、吸收和散射等方面，其設(shè)計和性能直接關(guān)系到MicroLED將電能轉(zhuǎn)化為有效出射光能的效率。

在MicroLED芯片中，有源區(qū)產(chǎn)生的光向各個方向發(fā)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(cè)面設(shè)置光學(xué)反射層，能夠?qū)⑦@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(xué)反射層的材料選擇不當(dāng)或結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會導(dǎo)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(shè)計的光學(xué)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(qū)或?qū)虺錾浞较?。在特定結(jié)構(gòu)的MicroLED中，優(yōu)化后的光學(xué)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(dá)到百萬甚至千萬尼特以上的超高亮度。

但實(shí)際上其像素點(diǎn)并不會同時全部發(fā)光，通常同時發(fā)光的像素點(diǎn)占比在 10% - 15%甚至更低，因此業(yè)內(nèi)習(xí)慣用APL 10%來進(jìn)行測量（以640x480的MicroLED微顯示芯片為例，只測量30萬個發(fā)光點(diǎn)中的3萬個），這便于大家理解和統(tǒng)一測試方式。

目前業(yè)內(nèi)按照APL10%來計算光效值，在0.12單綠色，鴻石智能經(jīng)過兩年的技術(shù)攻關(guān)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(biāo)志著鴻石智能在全球8寸硅基微顯示芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了量產(chǎn)光電效率的最高水平。

均勻度領(lǐng)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(guān)鍵指標(biāo)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(guān)鍵技術(shù)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?yàn)槟ず竦牟痪鶆驎苯佑绊懶酒男阅?，也會?dǎo)致芯片不同區(qū)域的光學(xué)特性存在差異，進(jìn)而影響發(fā)光均勻度。只有將膜厚控制在合適的范圍內(nèi)，才能提高芯片的整體均勻度。所以，實(shí)現(xiàn)良好的鍍膜均勻性是提高芯片均勻度的關(guān)鍵技術(shù)之一。

其次是刻蝕一致性。刻蝕過程對芯片的結(jié)構(gòu)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(wěn)定性和一致性，避免因刻蝕過度或不足導(dǎo)致芯片結(jié)構(gòu)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(diǎn)關(guān)注和優(yōu)化的技術(shù)環(huán)節(jié)。

圖：0.12寸640*480綠光MicroLED芯片均勻度達(dá)到98%

在均勻度指標(biāo)方面，鴻石智能成果顯著。目前其MicroLED 芯片均勻度已達(dá)到98%，在業(yè)界處于領(lǐng)先地位。與之對比，其他企業(yè)目前交付的領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)為均勻度90%，而大多數(shù)廠商僅為 80%，甚至部分廠商回避談及這一指標(biāo)。

事實(shí)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(wěn)定的8寸晶圓工藝制程和先進(jìn)的Demura校正技術(shù)，同樣經(jīng)歷了從較低水平（60%）到較高水平（90+%）的發(fā)展過程，這也使得鴻石智能在技術(shù)研發(fā)和工藝改進(jìn)上不斷努力，逐步積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而取得顯著進(jìn)步。

屏幕缺陷控制、光學(xué)耦合優(yōu)化

在屏幕缺陷方面，MicroLED芯片屏幕缺陷行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛，亮點(diǎn)數(shù)必須為0，連續(xù)暗點(diǎn)數(shù)超過1個即不合格，單個暗點(diǎn)數(shù)需控制在100以內(nèi)，這對產(chǎn)品工藝一致性要求極高。

因?yàn)楣怆娖骷ιa(chǎn)中的工藝一致性、溫度控制、潔凈度等條件敏感，細(xì)微變化都會影響單個像素的IV曲線和IL曲線。經(jīng)過兩年技術(shù)攻關(guān)，鴻石智能成功實(shí)現(xiàn)無亮點(diǎn)、無連續(xù)暗點(diǎn)，將單像素暗點(diǎn)數(shù)控制在萬分之一，30個暗點(diǎn)以內(nèi)，達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。

圖：Micro-LED的發(fā)光角

在光學(xué)耦合方面，當(dāng)MicroLED芯片耦入衍射光波導(dǎo)時，提升能量是關(guān)鍵需求，而這其中光束發(fā)散角的控制至關(guān)重要。研究表明，當(dāng)發(fā)光半角超過±30°時，將會導(dǎo)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(tǒng)LED器件呈現(xiàn)典型的朗伯體輻射特性，發(fā)光半角達(dá)±60°，這使得其光波導(dǎo)耦合效率受限。為解決這一問題，鴻石智能采用創(chuàng)新性方案：

通過晶圓級微納加工技術(shù)，在Micro-LED出光表面制備微透鏡陣列。利用其光束準(zhǔn)直特性，將輻射半角精準(zhǔn)壓縮至±25°-30°范圍。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)使軸向光強(qiáng)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(dǎo)系統(tǒng)對光源定向性的嚴(yán)苛要求 。

生產(chǎn)效率、良率與成本優(yōu)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(jìn)行操作且對精度要求極高，這也導(dǎo)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(shù)，在MicroLED的制造中，氮化鎵憑借其優(yōu)良的半導(dǎo)體特性，因此氮化鎵也是MicroLED制造技術(shù)中常用的關(guān)鍵材料。

同時，氮化鎵雷達(dá)作為在飛機(jī)、火箭等領(lǐng)域應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)，其中的發(fā)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(dá)中一般擁有大量的發(fā)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(dá)性能。

目前在氮化鎵雷達(dá)技術(shù)方面，全世界只有中國和美國能夠?qū)崿F(xiàn)，可見其技術(shù)難度之高。然而，氮化鎵雷達(dá)的發(fā)射器尺寸在100μm×100μm以上，MicroLED只有4μm×4μm，在如此小的尺寸下實(shí)現(xiàn)均勻度和一致性的挑戰(zhàn)更為艱巨。

目標(biāo)上，MicroLED的制造一是不能引入臟污，否則可能會影響產(chǎn)品質(zhì)量；二是要保持一致性，因?yàn)橐恢滦圆缓镁蜔o法達(dá)到設(shè)計圖形的要求，進(jìn)而影響產(chǎn)品性能和功能。而芯片的核心成本是生產(chǎn)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(zhǔn)將其控制在±3%以內(nèi)，有效保障載流子的高效輸運(yùn)；在等離子體刻蝕方面，把各向異性偏差嚴(yán)格控制在＜5°，確保了亞微米級臺面結(jié)構(gòu)形貌的一致性；同時，在百級潔凈環(huán)境下，將顆粒污染控制在0.1個 /cm2量級，最大程度避免了發(fā)光單元的失效。

此外，鴻石智能選擇的8寸硅基襯底，其設(shè)備生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于4寸，對比4寸生產(chǎn)一次和8寸生產(chǎn)一次的成本，在時間相同的情況下，8寸設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品在生產(chǎn)成本上只有4寸設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品的1/6，而生產(chǎn)成本占整個芯片成本的80%，所以8寸設(shè)備生產(chǎn)具有明顯的成本優(yōu)勢。

且8寸比4寸效率高，因?yàn)?寸設(shè)備的基臺屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，大晶圓如8寸相較于4寸，同一時間加工的數(shù)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(chǎn)效率是4寸片的六倍，生產(chǎn)效率優(yōu)勢明顯。

而且鴻石智能通過嚴(yán)格的工藝過程質(zhì)量把控，成功實(shí)現(xiàn)了較高的產(chǎn)品良率。

在關(guān)鍵工藝窗口上，鴻石智能將其擴(kuò)展至理論值的85%以上，遠(yuǎn)超行業(yè)平均水平。而與傳統(tǒng)4英寸工藝相比，鴻石智能的8英寸產(chǎn)線優(yōu)勢顯著。工藝均勻性提升了2.3倍，使得產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠；單片產(chǎn)能提升4.8倍，極大提高了生產(chǎn)效率；總體制造成本降低了50%。

在保障產(chǎn)品品質(zhì)的同時，鴻石智能實(shí)現(xiàn)了成本的大幅優(yōu)化，為客戶提供更具性價比的產(chǎn)品與服務(wù)。

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關(guān)鍵詞：MicroLED,芯片,均勻,技術(shù),智能