中国科学院院士江风益:全彩化、实用化AR制造技术有望取得突破

文章转载自：中国电子报

10月19日至20日，由工业和信息化部、江西省人民政府主办的2023世界VR产业大会在江西南昌召开。在10月19日上午举行的开幕演讲中，中国科学院院士、南昌大学教授、南昌实验室主任江风益介绍了南昌在AR两大核心硬件——微显示屏和光波导镜片研究方面取得的重要进展：南昌实验室研究开发出晶圆级微型LED集成技术，已制备出高分辨率单色AR微显示屏，突破行业瓶颈技术高光效微红光；南昌虚拟现实研究院自主研发了全息光波导镜片、模组和AR眼镜。“南昌在三基色单色微显示屏和全息光波导制造技术方面取得了可喜进展，由此，在不远的将来，有望突破全彩化、实用化AR制造技术。”江风益说。

AR硬件系统仍有两大问题亟待解决

随着信息技术的迭代更新，互联网正从移动时代走向万物互联的第三代互联网。江风益表示，第 一代互联网是个人电脑互联网，第二代互联网是智能手机移动互联网，而正在发展中的第三代互联网则是XR沉浸式互联网。

“第三代互联网主要有VR眼镜、AR眼镜等形式。VR眼镜制造技术难度相对较低，目前制造技术相对成熟，在娱乐、教育等领域已有一定产业和规模应用。而AR眼镜的制造难度很高，目前制造技术尚未成熟，但其应用潜力巨大，可被广泛用于娱乐旅游、智能制造、医疗健康、辅助驾驶、军事应用等场景。”江风益说。

AR核心硬件包括微显示屏、光波导、透镜和处理器。近年来，光学技术、芯片技术和交互体验不断改进，AR产品不断创新。然而，AR硬件系统仍有两大问题亟待解决：一是缺乏高亮度的高清全彩微显示屏，二是缺乏高光效、轻薄的光波导镜片。

为解决这两大难题，南昌实验室（南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心）经过不断研究，成功研发出晶圆级微型LED集成技术，并且制备出了高分辨率单色AR微显示屏，这是基于南昌大学20多年硅基GaN（氮化镓）半导体LED材料和芯片技术的积累，在实现了红橙黄绿青蓝紫七彩高效发光的基础上取得的研究进展。“这就是我们高光效红绿蓝三基色微型单色LED显示屏，现在达到200万像素，像素尺寸4.5微米，最大亮度超过数百万尼特。”江风益指着大屏幕介绍说。

据介绍，南昌实验室现有的硅基GaN半导体LED材料芯片技术，为实现微型LED和硅基CMOS驱动电路集成提供优选方案。GaN材料中载流子扩散长度小，微型LED受侧壁复合影响小，有利于制备各种颜色的高光效微型LED。硅基GaN微型LED与CMOS驱动电路无热失配，可实现晶圆级对准键合，转移效率高、良率高。红绿蓝微型LED全部采用硅基GaN材料制备，整个体系可以实现无热失配，有利于实现RGB混合集成。

南昌拥有世界少见的LED光源技术链和产业链

微型LED微显示屏具有高亮度、高分辨率、高对比度、快速响应等特点，更适配AR设备显示屏需求。然而，当前，微型LED微显示屏制造存在两大关键难题。一是集成良率低。尺寸极小而数量又极大的微型LED像素与CMOS驱动电路集成技术难度大、良率低；采用蓝宝石衬底或GaAs（砷化镓）衬底的微型LED与硅基CMOS电路集成，衬底热失配导致热应力大、键合良率低，很难进行大面积对准键合。二是微红光亮度低。微型LED芯片尺寸极小，受侧壁影响，发光效率随尺寸减小而降低。蓝绿光像素采用GaN 材料制备，尺寸效应相对较小。红光采用传统AlGaInP超高亮度发光二极管外延材料制备，随芯片尺寸变小到微米级时，发光效率降低非常严重。可喜的是，南昌实验室已制备出红绿蓝三基色硅基GaN微型LED，突破行业瓶颈技术高光效微红光。“要在同一种材料体系实现红橙黄绿青蓝紫高效发光，特别是发红光，难度非常大。而我们使用的材料体系，微红光效率可达26%，属业内领先水平，为微型LED全彩屏打下良好基础。”江风益表示。

此外，南昌VR研究院（国家虚拟现实创新中心）在全息光波导方面的研究也有了新的进展。江风益介绍，光波导有阵列光波导、浮雕光栅光波导、全息光波导三条技术路线。全息光波导相较于阵列光波导和浮雕光栅光波导，其优点在于显示效果好，制造成本低，但高性能全息材料较为缺乏，制造工艺还不成熟。目前，南昌VR研究院研发的全息材料核心性能参数在公开文献中处于世界第二位。同时，研发出了全息光波导镜片、模组和AR眼镜。其主要亮点为单层波导实现RGB三色显示、光效率高达2000 nit/lumen、镜片成像清晰，显示效果较好。

“南昌拥有世界少见的、完整的LED光源技术链和产业链。既有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩LED芯片，硅衬底LED、蓝宝石衬底LED、砷化镓衬底LED，又有大、中、小、mini、Micro各种尺寸LED芯片；既有配套的有机源制造厂商，也有高端装备MOCVD设备制造厂商，且上下游产业链齐全，未来将为发展近眼显示技术和产业提供重要支撑！”江风益说。