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“追光”二十載，不久前，潘安練又點(diǎn)“亮”了單屏彩色Micro-LED微顯示芯片，還在量子點(diǎn)光刻輔助彩色化上也取得了重要突破，實(shí)現(xiàn)了彩色化“兩條腿”走路。

作為湖南光電集成創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)，潘安練還是Micro-LED微顯示芯片初創(chuàng)企業(yè)諾視科技的首席科學(xué)家。隨著傳統(tǒng)電子芯片逼近極限，他把目光聚焦在芝麻粒大小的微顯示屏上，致力于為國(guó)產(chǎn)芯片尋找著新賽道上的“曙光”。

2022年，潘安練團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“AR眼鏡用高像素密度高亮度硅基Micro-LED微顯示芯片”，就實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最小微顯示屏——0.12英寸，并獲得2022年全國(guó)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽總決賽優(yōu)勝獎(jiǎng)。

近日，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合諾視科技又點(diǎn)亮了單片集成堆疊（VSP)彩色Micro-LED微顯示芯片，這也是首個(gè)0.39英寸堆疊AM微顯示芯片點(diǎn)亮原型。

“基于Micro-LED的芯屏一體化研究和產(chǎn)學(xué)研布局，源自我長(zhǎng)期以來(lái)在光電集成研究領(lǐng)域深耕的夢(mèng)想，更出自讓我國(guó)在新一代信息領(lǐng)域走在世界前列、實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)的擔(dān)當(dāng)。”潘安練在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)表示。

小芯片，大作為

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)電子芯片已無(wú)法滿(mǎn)足人工智能、元宇宙等場(chǎng)景需求，具有帶寬大、能耗低、速度快的新型光電芯片技術(shù)，被視為下一代高性能芯片技術(shù)的重要趨勢(shì)，Micro LED就曾一度被視為顛覆面板行業(yè)的技術(shù)。

Micro-LED本質(zhì)上是將LED微縮化、矩陣化，在一塊芯片上高密度集成自發(fā)光的微型像素點(diǎn)陣列，每一個(gè)像素點(diǎn)在微米甚至亞微米尺寸下做到可尋址的獨(dú)立控制。

潘安練告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，Micro-LED所具有的高亮度、小型化的特征是傳統(tǒng)顯示技術(shù)所不可比擬的，其高性能可以滿(mǎn)足AR眼鏡所需要的低功耗、高亮度、高分辨率、小尺寸的要求，是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理想終端。

據(jù)潘安練介紹，此次團(tuán)隊(duì)點(diǎn)亮的單片集成堆疊彩色Micro-LED微顯示芯片，是繼2023年第三季度實(shí)現(xiàn)VSP PM無(wú)源（被動(dòng)驅(qū)動(dòng)）微顯示芯片點(diǎn)亮后，成功實(shí)現(xiàn)AM有源（主動(dòng)驅(qū)動(dòng)）點(diǎn)亮和技術(shù)驗(yàn)證，也是全球首個(gè)0.39英寸堆疊AM微顯示芯片點(diǎn)亮原型，并且點(diǎn)亮的芯片還采用了合作伙伴數(shù)字光芯提供的CMOS彩色驅(qū)動(dòng)背板。

在他看來(lái)，就是這樣一顆芝麻粒大小的微顯示屏，將為人們帶來(lái)一場(chǎng)前所未有的數(shù)字革命，并改變?nèi)祟?lèi)未來(lái)生活，“Micro-LED微顯芯片能夠讓虛擬和現(xiàn)實(shí)自然地融為一體，使人們步入穿戴式的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地進(jìn)行交互?！?/p>

實(shí)際上，潘安練團(tuán)隊(duì)此前就實(shí)現(xiàn)了0.39英寸和全球最小0.12英寸的單色RGB微顯示芯片核心技術(shù)的突破，“此次0.39英寸單屏彩色Micro-LED微顯示芯片將不同顏色的子像素從單色到雙色再到三色進(jìn)行空間上的三維堆疊，再結(jié)合微納制造和集成電路的工藝，通過(guò)刻蝕和圖形化制造出最終的Micro-LED芯片，且能夠達(dá)到不錯(cuò)的效果，有很大的希望實(shí)現(xiàn)商用”。

他表示，此次突破不僅再次驗(yàn)證了VSP技術(shù)方案的可行性，還為后續(xù)的性能、良率等優(yōu)化以及單屏彩色產(chǎn)業(yè)化落地積累了重要經(jīng)驗(yàn)。

從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)

“Micro-LED正處于大規(guī)模商用的前夜，誰(shuí)最先把技術(shù)難點(diǎn)攻克，誰(shuí)就能抓住這個(gè)機(jī)會(huì)”，潘安練說(shuō)。

但他也指出，Micro-LED全彩顯示技術(shù)方案復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和商業(yè)化的難度較大，現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)提出的技術(shù)方案在良率、穩(wěn)定性、成本和工藝的成熟度等各個(gè)方面都很難達(dá)到要求。目前可商業(yè)化的僅有光學(xué)棱鏡合光的方案，但在尺寸、效率和成本上均有很多局限，“因此，單屏彩色化極有可能是實(shí)現(xiàn)Micro-LED大規(guī)模商業(yè)量產(chǎn)的最佳答案?！?/p>

他進(jìn)一步介紹，單屏彩色化技術(shù)路線(xiàn)主要包括三色巨量轉(zhuǎn)移、量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換、堆疊等技術(shù)路線(xiàn)，雖然相較于巨轉(zhuǎn)方案、色轉(zhuǎn)方案的局限性，三原色堆疊存在巨大優(yōu)勢(shì)，但實(shí)現(xiàn)難度仍然很大，“學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界從外延段堆疊、芯片段堆疊都有進(jìn)行嘗試，但外延段堆疊基于材料限制，其波長(zhǎng)漂移、半波寬以及亮度等方面目前還無(wú)法較好匹配商業(yè)化需求。”

潘安練對(duì)通過(guò)VSP技術(shù)和集成電路工藝深度融合的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)商業(yè)化很有信心。一方面，晶圓級(jí)VSP技術(shù)采用集成電路制造工藝將多個(gè)微型LED發(fā)光單元在三維方向上進(jìn)行堆疊，可以實(shí)現(xiàn)小像素尺寸以及高發(fā)光效率；另一方面，基于VSP技術(shù)，采用純無(wú)機(jī)的AlGaInP、GaInN材料，可以做到大尺寸外延堆疊集成；此外，采用大尺寸集成電路產(chǎn)線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)BOM成本的大幅度降低。

除了成功點(diǎn)亮單屏彩色Micro-LED微顯示芯片外，潘安練團(tuán)隊(duì)在量子點(diǎn)光刻輔助彩色化上也取得了重要的突破，同時(shí)還在上下游進(jìn)行了積極布局，包括Micro-LED材料的制造和加工，芯片、光機(jī)的研制以及AR眼鏡透光率、顏色的轉(zhuǎn)化等，加快推進(jìn)芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

潘安練透露說(shuō)，諾視堆疊單屏全彩將基于純無(wú)機(jī)的四元AlGaInP和三元GaInN化合物材料，目標(biāo)在2024年底發(fā)布原型機(jī)并進(jìn)行量產(chǎn)。

前瞻布局

剛踏上“追光路”時(shí)，潘安練看到的“光”還十分微弱，在光電集成這條最初還相對(duì)冷門(mén)的路上，他一走就是20年，并推動(dòng)了湖南省在光電集成領(lǐng)域產(chǎn)研一體的前瞻性布局。

2010年，潘安練結(jié)束在國(guó)外的科研工作，加入湖南大學(xué)，先后推動(dòng)打造了多個(gè)省部級(jí)研發(fā)平臺(tái)，并創(chuàng)建了新型研發(fā)機(jī)構(gòu)——湖南光電集成創(chuàng)新研究院，組建了一支致力于光電材料與集成應(yīng)用核心技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)學(xué)研深度融合的頂尖團(tuán)隊(duì)。

2018年，為了進(jìn)一步將基礎(chǔ)研究推向應(yīng)用，他又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)和相關(guān)部門(mén)前往國(guó)外考察。Micro-LED等代表未來(lái)新質(zhì)生產(chǎn)力的核心技術(shù)，引起了他的高度重視。

2019年光電集成創(chuàng)新研究院作為連接基礎(chǔ)和應(yīng)用的平臺(tái)正式啟動(dòng)建設(shè)，潘安練團(tuán)隊(duì)與諾視科技的創(chuàng)始人團(tuán)隊(duì)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，走向了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用落地的產(chǎn)學(xué)研合作新模式。潘安練還以第一完成人獲得了2019年度國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

2024年1月，潘安練擔(dān)任湖南師范大學(xué)副校長(zhǎng)后，便開(kāi)始籌劃桃子湖未來(lái)技術(shù)研究院的建設(shè)，他希望圍繞新一代信息技術(shù)核心領(lǐng)域——空間計(jì)算，通過(guò)校際協(xié)同、校地合作及產(chǎn)教融合機(jī)制，打造新的創(chuàng)新聯(lián)合體，把Micro-LED等核心技術(shù)在數(shù)字文創(chuàng)和智能制造等湖南優(yōu)勢(shì)特色領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。

“我們?cè)菊J(rèn)為大規(guī)模的商業(yè)化落地還需要五到十年的時(shí)間，但現(xiàn)在看來(lái)似乎有點(diǎn)保守了，我覺(jué)得應(yīng)該會(huì)更快，在三到五年內(nèi)可能就會(huì)出現(xiàn)比較規(guī)?；膽?yīng)用?！迸税簿殞?duì)Micro-LED微顯示芯片商用化“光”景充滿(mǎn)了信心。

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