AR 設(shè)備有望加速碳化硅 (SiC) 的普及，并釋放人機(jī)交互的可能性——包括寬視場可穿戴顯示器。
圖片由 Meta 提供。
反過來，這又使電力應(yīng)用中的電氣組件更輕、更小、熱穩(wěn)定性更高且更高效，適用于快速增長的電動汽車和替代能源領(lǐng)域。僅在數(shù)據(jù)中心的使用中，這種效率提升預(yù)計(jì)可將每個系統(tǒng)的冷卻成本降低約25%至40%。在替代能源開關(guān)中，使用碳化硅預(yù)計(jì)可使系統(tǒng)效率在千瓦到兆瓦功率范圍內(nèi)達(dá)到高達(dá)98%。
此外，隨著生長的碳化硅晶體越來越純凈并制造出合適的缺陷，制造商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具有非常高電阻的單晶晶圓，以支持高速微波射頻切換。高電子遷移率晶體管設(shè)備已被用于啟用5G和下一代通信系統(tǒng)。
全球制造商普遍認(rèn)識到碳化硅是支持向更電氣化的電力基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變和增加對具有更大帶寬的高速電子需求的關(guān)鍵材料。目前正在進(jìn)行的改進(jìn)目標(biāo)是固有材料屬性、完成的晶圓質(zhì)量和后續(xù)加工進(jìn)步。
因此，生產(chǎn)晶圓尺寸繼續(xù)增加，目前典型的尺寸包括150毫米，200毫米的可獲得性（有14家全球鑄造廠上線），300毫米正在開發(fā)中。當(dāng)前電子組件市場的需求在較舊的200毫米制造線上得到了很好的支持。與此同時(shí)，諸如肖特基勢壘二極管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管等組件繼續(xù)受益于穩(wěn)定的進(jìn)步。
碳化硅：光子學(xué)的材料推動者
碳化硅晶體結(jié)構(gòu)可以采取多種形式；超過200種多型晶體結(jié)構(gòu)是可能的。其中幾種對電子和光子學(xué)應(yīng)用非常感興趣。
3C-SiC（立方或β相）和4H或6H（六方或α相）是最常見的用于要求苛刻的應(yīng)用形式。通常，3C是最簡單的材料，因此大多數(shù)前體粉末都以高比例的這種結(jié)構(gòu)開始。某些電子應(yīng)用使用這種結(jié)構(gòu)，但隨著性能要求的提高，4H和6H晶體結(jié)構(gòu)更受青睞。電子行業(yè)似乎將傾向于4H晶體結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠渚哂?.23 eV的大寬帶隙
；2.8 MV/cm的擊穿場；2.2 × 10^7 cm/s的電子漂移速度；280到390 K的熱導(dǎo)率；3.2 g/cm^3的密度；5.1 ppm/K的膨脹系數(shù)；以及在可見光譜中的折射率為2.6到2.7。晶體選擇取決于物理氣相傳輸室條件和初始種子晶體結(jié)構(gòu)。這些變量的改進(jìn)推動了向4H的轉(zhuǎn)變。
Meta在2024年展示了碳化硅（SiC）作為基板的用法，其亮點(diǎn)是Orion AR眼鏡原型，具有70° FOV。
無論選擇哪種材料多型體，電子功能都取決于正確的摻雜和誘導(dǎo)缺陷。碳化硅最常摻雜有氮或磷等雜質(zhì)以實(shí)現(xiàn)n型材料，鋁或硼以實(shí)現(xiàn)p型材料，以及釩以實(shí)現(xiàn)半絕緣功能（其中需要高電阻以隔離組件之間的電流流動以實(shí)現(xiàn)高速電子）。
然而，在光學(xué)和光子學(xué)應(yīng)用中，材料純度通常是低吸收損失的最重要決定因素。這使得光學(xué)級碳化硅成為一個有趣且可能是最通用的基礎(chǔ)基板選擇，適用于最廣泛的應(yīng)用，其中摻雜可以隨后進(jìn)行處理。鑒于此，將摻雜和缺陷局部化可能是有益的，以便在單一基板上實(shí)現(xiàn)電子、光子甚至量子過程。
AR和SiC：下一波浪潮
此外，考慮到消費(fèi)者對電視、電腦顯示器和移動設(shè)備的歷史行為，我們可以合理地預(yù)期，如果不犧牲其他重要的產(chǎn)品屬性，許多消費(fèi)者會想要更大的顯示屏。
但即使在這種背景下，很明顯，寬視場提供了與世界鎖定的數(shù)字內(nèi)容，當(dāng)佩戴者調(diào)整頭部、身體和眼睛的位置時(shí)，這些內(nèi)容仍會保留在佩戴者的視場中。這是“信息”或“智能”顯示器與完整 AR 之間的根本區(qū)別，在完整 AR 中，情境對象可以疊加在現(xiàn)實(shí)世界之上，以有意義的方式增強(qiáng)我們的混合感知。雖然這兩種體驗(yàn)都有價(jià)值，但完整 AR 的體驗(yàn)超過了任何顯示系統(tǒng)或人機(jī)界面在始終可用的格式下所實(shí)現(xiàn)的體驗(yàn)。
在這種情況下，Meta 的 Orion 原型演示有望成為 AR 設(shè)備及其架構(gòu)未來的里程碑。
在所有基于波導(dǎo)的 AR 顯示器（包括 Meta 的 Orion 原型）中，有兩個因素從根本上限制了系統(tǒng)的視場。
首先是整體顯示效率。在允許的光學(xué)系統(tǒng)光展量范圍內(nèi)，波導(dǎo)和投影儀引擎對眼睛的電光效率的組合決定了這種效率。在重量限制的情況下，系統(tǒng)的熱（頭部耗散可用性）和功率密度限制了視場。
第二個因素是光學(xué)系統(tǒng)光展量本身的限制，它由波導(dǎo)基板與其界面（通常是空氣或低折射率材料）之間的折射率差異控制。這些界面之間的折射率差異越大，光學(xué)系統(tǒng)的角度接受度就越大，波導(dǎo)或光柵設(shè)計(jì)師在平衡關(guān)鍵圖像權(quán)衡方面的自由度就越大。波導(dǎo)設(shè)計(jì)師和鏡片設(shè)計(jì)師一樣，除了成本和復(fù)雜性之外，還必須權(quán)衡性能參數(shù)。
在波導(dǎo)設(shè)計(jì)中，這些參數(shù)包括偏色均勻性（通過成像器校準(zhǔn)進(jìn)行校正，但代價(jià)是效率損失）、調(diào)制傳遞函數(shù)、重影、整體效率和正面光柵向外界的泄漏。另一個參數(shù)是彩虹偽影。這些對于全衍射波導(dǎo)來說尤其令人不安。它們描述了外部光源與波導(dǎo)衍射光柵的耦合以及佩戴者視場內(nèi)光的散射釋放。這些彩虹偽影會隨著佩戴者相對于光源的位置而移動和變化。
在 Orion 演示中，顯示器是三個微型 LED 投影儀。這些元件提供紅色、綠色和藍(lán)色光學(xué)瞳孔，每個瞳孔都通過衍射輸入耦合器前進(jìn)，該耦合器被制成表面浮雕光柵，將圖像饋送到 SiC 基板中以支持全內(nèi)反射。全內(nèi)反射復(fù)制光學(xué)瞳孔并將這些多個瞳孔呈現(xiàn)到基板的輸出面上，該基板包含一個衍射輸出耦合器，無論位置如何都可以將光線傳送到眼睛中。該基板構(gòu)成了眼鏡鏡片結(jié)構(gòu)的一部分。
第二個輸出光柵構(gòu)建在此表面上，并選擇性地將瞳孔耦合出去以呈現(xiàn)一個眼罩，佩戴者無論眼睛位置如何都可以接收光線。SiC 在可見光范圍內(nèi)的高折射率在 2.6 和 2.7 之間，使基板能夠支持基板內(nèi)部更大的全內(nèi)反射角度范圍和 >70° 對角線視場以及所需的大光學(xué)擴(kuò)展量。
設(shè)計(jì)師還可以利用高折射率帶來的彎曲能力，將彩虹位置移向視場邊緣。這有助于減少對佩戴者的影響。事實(shí)上，折射率大約 >2.5 的大多數(shù)干擾性彩虹都可以消除。這使得 SiC（在可見光范圍內(nèi)具有高折射率）成為最佳基板選擇，無論視場如何：高折射率玻璃和鈮酸鋰等替代材料選項(xiàng)將在這種情況下保留彩虹偽影。
材料和供應(yīng)鏈考慮因素
除了材料特性之外，擴(kuò)大和發(fā)展現(xiàn)有供應(yīng)鏈以及降低相關(guān)成本對于光學(xué)和光子學(xué)行業(yè)（首先是 AR 領(lǐng)域）大規(guī)模采用光學(xué)級 SiC 至關(guān)重要。要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模采用，必須確定理想供應(yīng)鏈的具體內(nèi)容。首先，它必須以消費(fèi)者友好的價(jià)格促進(jìn)基板和完整波導(dǎo)的可靠交付。這需要從具有可伸縮小型設(shè)備的電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)向具有相對較大組件的光學(xué)器件，從而實(shí)現(xiàn)思維和業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)變。AR 波導(dǎo)對角線約為 50 毫米，每副眼鏡需要兩個。因此，即使是 100 萬副眼鏡的小批量消費(fèi)級眼鏡，每 200 毫米晶圓也需要大約 300,000 個基板和大約四對鏡片。
這個數(shù)字為 SiC 襯底制造商提供了一個重要的機(jī)會來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)多元化。隨著電力電子業(yè)務(wù)的增長放緩至 2024 年，以及歐洲和北美電動汽車銷售率和基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)換率意外下降，多元化客戶組合的重要性已變得顯而易見。這導(dǎo)致 SiC 產(chǎn)能未得到充分利用，許多準(zhǔn)備好的設(shè)施可用或準(zhǔn)備擴(kuò)大規(guī)模，但處于停滯狀態(tài)。
