Optiske siliciumcarbidbølgeleder-AR-briller: Fremstilling af halvisolerende substrater med høj renhed

På baggrund af AI-revolutionen er AR-briller gradvist ved at træde ind i den offentlige bevidsthed. Som et paradigme, der problemfrit blander virtuelle og virkelige verdener, adskiller AR-briller sig fra VR-enheder ved at give brugerne mulighed for at opfatte både digitalt projicerede billeder og omgivende lys samtidigt. For at opnå denne dobbelte funktionalitet - at projicere mikrodisplaybilleder ind i øjnene, samtidig med at den eksterne lystransmission bevares - anvender AR-briller af optisk siliciumcarbid (SiC) en bølgelederarkitektur (lysleder). Dette design udnytter total intern refleksion til at transmittere billeder, analogt med optisk fibertransmission, som illustreret i det skematiske diagram.

Typisk kan et 6-tommer højrent halvisolerende substrat give 2 par glas, mens et 8-tommer substrat rummer 3-4 par. Brugen af SiC-materialer giver tre afgørende fordele:

1. Enestående brydningsindeks (2,7): Muliggør et synsfelt (FOV) i fuld farve (80°) med et enkelt linselag, hvilket eliminerer regnbueartefakter, der er almindelige i konventionelle AR-designs.
2. Integreret trefarvet (RGB) bølgeleder: Erstatter flerlags bølgelederstakke, hvilket reducerer enhedens størrelse og vægt.
3. Overlegen varmeledningsevne (490 W/m·K): Reducerer optisk nedbrydning forårsaget af varmeakkumulering.

Disse fordele har drevet en stærk markedsefterspørgsel efter SiC-baserede AR-briller. Den anvendte optiske SiC består typisk af højrenheds semiisolerende (HPSI) krystaller, hvis strenge forberedelseskrav bidrager til de nuværende høje omkostninger. Derfor er udviklingen af HPSI SiC-substrater afgørende.

1. Syntese af halvisolerende SiC-pulver
Produktion i industriel skala anvender overvejende højtemperatur selvudbredende syntese (SHS), en proces der kræver omhyggelig kontrol:

• Råmaterialer: 99,999% rent kulstof/siliciumpulver med partikelstørrelser på 10-100 μm.
• Digelens renhed: Grafitkomponenter gennemgår rensning ved høj temperatur for at minimere diffusion af metalliske urenheder.
• Atmosfærekontrol: 6N-renhed argon (med inline-rensere) undertrykker nitrogeninkorporering; spor af HCl/H₂-gasser kan tilføres for at fordampe borforbindelser og reducere nitrogen, selvom H₂-koncentrationen kræver optimering for at forhindre grafitkorrosion.
• Udstyrsstandarder: Synteseovne skal opnå et basisvakuum på <10⁻⁴ Pa med strenge lækagekontrolprotokoller.

2. Udfordringer med krystalvækst
HPSI SiC-vækst deler lignende renhedskrav:

• Råmateriale: SiC-pulver med en renhed på 6N+ med B/Al/N <10¹⁶ cm⁻³, Fe/Ti/O under tærskelværdierne og minimalt indhold af alkalimetaller (Na/K).
• Gassystemer: 6N argon/hydrogenblandinger forbedrer modstanden.
• Udstyr: Molekylpumper sikrer ultrahøjt vakuum (<10⁻⁶ Pa); forbehandling af digel og nitrogenudrensning er afgørende.

Innovationer inden for substratforarbejdning
Sammenlignet med silicium kræver SiC's forlængede vækstcyklusser og iboende stress (som forårsager revner/kantafskalning) avanceret bearbejdning:

• Laserskæring: Øger udbyttet fra 30 wafere (350 μm, trådsav) til >50 wafere pr. 20 mm boule, med potentiale for 200 μm udtynding. Bearbejdningstiden falder fra 10-15 dage (trådsav) til <20 min/wafer for 8-tommer krystaller.

3. Branchesamarbejder

Metas Orion-team har været pionerer inden for adoption af SiC-bølgeledere i optisk kvalitet, hvilket har ansporet til investeringer i forskning og udvikling. Nøglepartnerskaber omfatter:

• TankeBlue & MUDI Micro: Fælles udvikling af AR-diffraktive bølgelederlinser.
• Jingsheng Mech, Longqi Tech, XREAL og Kunyou Optoelectronics: Strategisk alliance for integration af AI/AR-forsyningskæden.

Markedsprognoser anslår 500.000 SiC-baserede AR-enheder årligt inden 2027, hvilket vil forbruge 250.000 6-tommer (eller 125.000 8-tommer) substrater. Denne udvikling understreger SiC's transformative rolle i næste generations AR-optik.

XKH specialiserer sig i at levere 4H-semi-isolerende (4H-SEMI) SiC-substrater af høj kvalitet med brugerdefinerede diametre fra 2 tommer til 8 tommer, skræddersyet til at opfylde specifikke applikationskrav inden for RF, effektelektronik og AR/VR-optik. Vores styrker omfatter pålidelig volumenforsyning, præcis tilpasning (tykkelse, orientering, overfladefinish) og fuld intern forarbejdning fra krystalvækst til polering. Ud over 4H-SEMI tilbyder vi også 4H-N-type, 4H/6H-P-type og 3C-SiC-substrater, der understøtter forskellige halvleder- og optoelektroniske innovationer.