Optiske silisiumkarbidbølgeleder-AR-briller: Fremstilling av halvisolerende substrater med høy renhet

Med bakgrunn i AI-revolusjonen blir AR-briller gradvis mer og mer kjent for offentligheten. Som et paradigme som sømløst blander virtuelle og virkelige verdener, skiller AR-briller seg fra VR-enheter ved å la brukere oppfatte både digitalt projiserte bilder og omgivelseslys samtidig. For å oppnå denne doble funksjonaliteten – å projisere mikrodisplaybilder inn i øynene samtidig som den eksterne lysgjennomgangen bevares – bruker AR-briller av optisk silisiumkarbid (SiC) en bølgelederarkitektur (lysleder). Denne designen utnytter total intern refleksjon for å overføre bilder, analogt med optisk fiberoverføring, som illustrert i det skjematiske diagrammet.

Vanligvis kan et 6-tommers halvisolerende substrat med høy renhet gi 2 par glass, mens et 8-tommers substrat har plass til 3–4 par. Bruken av SiC-materialer gir tre kritiske fordeler:

1. Eksepsjonell brytningsindeks (2,7): Muliggjør et synsfelt (FOV) i fullfarge på >80° med et enkelt linselag, noe som eliminerer regnbueartefakter som er vanlige i konvensjonelle AR-design.
2. Integrert trefargers (RGB) bølgeleder: Erstatter flerlags bølgelederstabler, noe som reduserer enhetens størrelse og vekt.
3. Overlegen varmeledningsevne (490 W/m·K): Reduserer optisk degradering forårsaket av varmeakkumulering.

Disse fordelene har drevet sterk markedsetterspørsel etter SiC-baserte AR-briller. Den optiske SiC-en som brukes består vanligvis av høyrene halvisolerende (HPSI) krystaller, hvis strenge forberedelseskrav bidrar til dagens høye kostnader. Følgelig er utviklingen av HPSI SiC-substrater avgjørende.

1. Syntese av halvisolerende SiC-pulver
Industriell produksjon benytter hovedsakelig høytemperatur selvforplantningssyntese (SHS), en prosess som krever grundig kontroll:

• Råvarer: 99,999 % rent karbon-/silisiumpulver med partikkelstørrelser på 10–100 μm.
• Digelens renhet: Grafittkomponenter gjennomgår høytemperaturrensing for å minimere diffusjon av metalliske urenheter.
• Atmosfærekontroll: 6N-renhet argon (med innebygde renseanlegg) undertrykker nitrogeninnlemmelse; spor av HCl/H₂-gasser kan introduseres for å fordampe borforbindelser og redusere nitrogen, selv om H₂-konsentrasjonen krever optimalisering for å forhindre grafittkorrosjon.
• Utstyrsstandarder: Synteseovner må oppnå <10⁻⁴ Pa basisvakuum, med strenge protokoller for lekkasjekontroll.

2. Utfordringer med krystallvekst
HPSI SiC-vekst deler lignende renhetskrav:

• Råmateriale: SiC-pulver med 6N+-renhet med B/Al/N <10¹⁶ cm⁻³, Fe/Ti/O under terskelverdiene og minimalt med alkalimetaller (Na/K).
• Gasssystemer: 6N argon/hydrogenblandinger forbedrer resistiviteten.
• Utstyr: Molekylpumper sikrer ultrahøyt vakuum (<10⁻⁶ Pa); forbehandling av digel og nitrogenspyling er avgjørende.

Innovasjoner innen substratbehandling
Sammenlignet med silisium krever SiCs forlengede vekstsykluser og iboende stress (som forårsaker sprekkdannelser/kantavskalling) avansert prosessering:

• Laserskjæring: Øker utbyttet fra 30 wafere (350 μm, trådsag) til >50 wafere per 20 mm boule, med potensial for 200 μm tynning. Behandlingstiden synker fra 10–15 dager (trådsag) til <20 min/wafer for 8-tommers krystaller.

3. Bransjesamarbeid

Metas Orion-team har vært pionerer innen adopsjon av SiC-bølgeledere av optisk kvalitet, noe som har ansporet til investeringer i forskning og utvikling. Viktige partnerskap inkluderer:

• TankeBlue og MUDI Micro: Felles utvikling av AR-diffraktive bølgelederlinser.
• Jingsheng Mech, Longqi Tech, XREAL og Kunyou Optoelectronics: Strategisk allianse for integrering av forsyningskjeden AI/AR.

Markedsprognoser anslår 500 000 SiC-baserte AR-enheter årlig innen 2027, som vil forbruke 250 000 6-tommers (eller 125 000 8-tommers) substrater. Denne utviklingen understreker SiCs transformative rolle i neste generasjons AR-optikk.

XKH spesialiserer seg på å levere høykvalitets 4H-halvisolerende (4H-SEMI) SiC-substrater med tilpassbare diametre fra 2 tommer til 8 tommer, skreddersydd for å møte spesifikke applikasjonskrav innen RF, kraftelektronikk og AR/VR-optikk. Våre styrker inkluderer pålitelig volumforsyning, presisjonstilpasning (tykkelse, orientering, overflatefinish) og full intern prosessering fra krystallvekst til polering. Utover 4H-SEMI tilbyr vi også 4H-N-type, 4H/6H-P-type og 3C-SiC-substrater, som støtter ulike halvleder- og optoelektroniske innovasjoner.