芯耀
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编者按：半导体是未来产业的核心引擎，是量子科技、人形机器人、脑机接口、AI眼镜、6G等几乎所有未来产业的整机、关键设备、上游零部件的基础构件。随着未来产业成为全球科技创新和产业发展的热点，芯片的性能指标、创新能力与迭代方向引发全球关注。面向未来产业的“芯”方向、“芯”需求，《中国电子报》开设“未来之芯”专栏，探讨半导体在未来产业的进阶之路。
AR眼镜被视为AI落地端侧的最佳载体，AI+AR已成大势所趋。然而，在AI功能持续融入AR眼镜的过程中，基于玻璃、树脂等传统镜片基底材料的光波导方案，难以满足AR及AI眼镜对更广视角、更低重量、更长续航时间的追求。近年来，宽禁带半导体的代表材料——碳化硅，进入了AR整机厂商的视野。在新能源领域，碳化硅已经成为提升能源转换效率和系统功率密度的核心材料。如今，在光学显示领域，碳化硅被视为破解AR全彩显示核心瓶颈的“钥匙”。围绕碳化硅在AR眼镜的规模化应用，碳化硅、光波导、AR整机企业正在协作开展技术创新与需求适配。
高折射率、高导热率，碳化硅破解AR显示痛点
AR眼镜追求轻薄形态的趋势，使光波导从离轴、棱镜、自由曲面等诸多光学显示技术中脱颖而出，成为AR光学方案的主流。而光波导方案中，又以几何光波导、衍射光波导两种技术路线最为成熟。其中，衍射光波导能将FOV（视场角）做得更大、镜片做得更薄，从2015年起就陆续应用于微软Hololens、Magic Leap one、OPPO Air Glasses等AR或全息眼镜产品。
然而，AR眼镜基底材料多为玻璃或树脂。随着AR眼镜全面拥抱AI，功能集成度与显示品质要求不断提升，玻璃衍射光波导暴露出明显的局限，包括体积重量偏大以及全彩显示中的彩虹纹现象等。
2019年，Meta公司的AR眼镜团队，将目光投向了宽禁带半导体材料的代表——碳化硅。
当时，Meta Orion团队为Meta创始人兼首席执行官马克·扎克伯格演示了AR眼镜的碳化硅波导方案。时隔6年，Meta光学科学家Pasqual Rivera仍然对那次演示记忆犹新。在Meta于2025年3月发布的博文中，Rivera提到，佩戴采用玻璃衍射波导方案的AR眼镜时，仿佛置身于迪斯科舞厅，布满视野的彩虹纹让他无法将注意力集中到AR内容本身，而戴上碳化硅波导眼镜的那一刻，他看到了AR眼镜的另一种可能，“当你换上碳化硅光波导眼镜，仿佛来到交响乐厅，聆听静谧的古典乐章，终于能全身心沉浸在全景体验中，这彻底改变了游戏规则。”
三安光电技术中心总经理王笃祥向《中国电子报》记者表示，碳化硅的高折射率和高导热率，能够为AR眼镜带来四大优势。
一是实现更大视场角。相比普通树脂约1.51、高折射率树脂约1.74、普通玻璃约1.5、高折射率玻璃约1.9的折射率，碳化硅材料折射率可达2.6以上。在光波导结构中，基底材料的折射率越高，AR镜片能实现的视场角越大。传统玻璃经过三层堆叠后的视场角仅为40度左右，而单层碳化硅镜片即可实现80度以上视场角。
二是有助于解决彩虹纹问题。彩虹纹指环境光透过AR波导后，白光变成彩虹光的分光现象，本质上是光栅对不同波长（颜色）光的衍射角度差异导致的色散。高折射率的碳化硅可以压缩光在材料中的有效波长，进而降低光栅周期，增大环境光的衍射角度，使其超出人眼的观察范围，进而解决分光造成的彩虹纹问题。
三是延长稳定续航时间。碳化硅的热导率（约490W/m·K）远高于玻璃（约1W/m·K）、树脂等传统光学材料，能够快速传导光机模块和计算单元产生的热量，避免局部温度过高导致的性能下降或器件损坏，支持高亮度显示（如5000尼特峰值亮度）和长时间稳定运行。
四是简化散热设计。传统AR眼镜依赖镜腿散热模块或主动冷却系统，增加了设备重量和复杂度。碳化硅的高热导性允许将散热功能集成到光波导片本身，通过被动散热即可满足需求。此外，碳化硅优秀的散热性能为提升AR眼镜集成度、配置更多传感器留出冗余。
2024年9月，Meta推出其首款AR眼镜Orion的原型机。基于碳化硅波导方案，这款AR眼镜实现了约70度的视场角，是当时AR眼镜最广阔的视野范围，并构建了能够最大限度抑制彩虹纹等杂散光影响的光学堆栈结构，还优化了功率与能效表现。Meta Orion的全透明镜片，使用户佩戴时仍能清晰地看到他人的眼神与表情，在享受数字体验的同时，保持与现实世界的真实联结。
自此，产业界对于碳化硅的热情，被彻底点燃。
国内产业创新蓄势，上下游适配正当时
虽然碳化硅在功率半导体的应用由来已久，但要作为波导片的基底材料应用于AR眼镜，还需要全产业链的协同支撑。
在2020年7月，Meta团队将碳化硅波导确定为Orion的最终方案时，就面临着全球产业界缺乏“光学级碳化硅制造”设备与工艺的难点。为此，Meta团队与晶圆制造企业共同开发出适用于规模化生产的斜面蚀刻设备与工艺，自主搭建了全流程产线，以发挥碳化硅效能。
中国在光学显示和宽禁带半导体领域的产业布局，为碳化硅在AR显示的规模化应用打下坚实基础。在显示领域，中国是全球最大的显示面板生产制造基地和研发应用地区；在宽禁带半导体领域，中国宽禁带半导体器件规模稳步提升，装备国产化进一步加速，衬底和晶圆制造产线加快建设和产能释放。
在此基础上，国内高校和企业，正在围绕碳化硅波导的设计、制造、封装等环节，推出更多满足AR光学需要并具备规模化量产可行性的技术方案。
比如，西湖大学、慕德微纳（杭州）科技有限公司团队于2025年8月发表在《eLight》论文中，提到了一种“采用碳化硅材料成功研发出超轻、超薄的衍射光波导”的方案，实现了单层碳化硅衍射光波导的设计、量产级制造与封装。
在材料上，该方案选用半绝缘4H-SiC（采用四层六方堆叠结构的碳化硅）作为基底材料；在工艺上，开发出适用于大规模生产的纳米压印剥离工艺，实现了图案在碳化硅晶圆上的高效转印；在封装上，通过引入超薄封装工艺，采用硬质涂层与抗反射涂层构成的夹层结构包裹碳化硅波导，有效提升了透光率并保护波导结构。
经封装与激光切割后，最终成型的单片碳化硅波导重量仅3.795克，厚度0.75毫米，相较当前主流衍射光波导在尺寸与重量上实现显著突破。
同时，本土碳化硅企业纷纷推出符合AR光学要求的产品，并深化与AR整机厂商的合作。
宽禁带半导体供应商湖南三安（三安光电的全资子公司），推出了整体性能满足AR眼镜制造需求的光学晶片，并有充足的产能储备，产量持续爬坡。目前其6英寸及8英寸光学晶片已通过国际头部客户认证，并实现小批量出货，12英寸光学晶片已向客户送样验证。同时，依托三安光电业界领先的Micro-LED量产能力，湖南三安的SiC衬底可以在AR眼镜应用领域与Micro-LED形成解决方案协作，积极推动国产技术规模化落地与应用。
碳化硅衬底供应商天科合达与慕德微纳出资成立合资公司，在AR衍射光波导镜片技术研发与市场推广方面展开深度合作。在今年3月的Semicon China 2025，天科合达展示了结合慕德微纳光波导技术的碳化硅光波导AR眼镜。
面向AR+AI的技术趋势，持续强化产业链上下游协同适配，已经成为碳化硅与AR产业从业者的共识。今年9月，工业和信息化部电子信息司在京组织开展AR眼镜-碳化硅材料产业链供需对接活动。AR眼镜整机、光波导、微显示和碳化硅材料等领域的十余名行业组织和企业代表参加。参加人员一致认为，要充分发挥我国在相关领域的技术和市场优势，坚持应用牵引，强化需求导向和问题导向，加强产业链上下游协同和供需适配，共同推动电子信息制造业高质量发展。
王笃祥表示，当前限制碳化硅材料广泛应用于AR眼镜的主要原因是碳化硅镜片成本，而这需要基于产业链协作和本地化配套来解决。
“8英寸、12英寸碳化硅晶片分别能切削出4副、10副镜片，相比玻璃和树脂材质，碳化硅镜片成本高出很多。未来碳化硅晶片应用于AR眼镜需要大幅度降低成本，碳化硅晶体生长和晶圆加工设备、原料、辅料等方向都需要国产化，并通过大规模生产降低成本。”王笃祥说道。
作者丨张心怡编辑丨吴丽琳美编丨马利亚监制丨赵晨
