編者按：半導(dǎo)體是未來(lái)產(chǎn)業(yè)的核心引擎，是量子科技、人形機(jī)器人、腦機(jī)接口、AI眼鏡、6G等幾乎所有未來(lái)產(chǎn)業(yè)的整機(jī)、關(guān)鍵設(shè)備、上游零部件的基礎(chǔ)構(gòu)件。隨著未來(lái)產(chǎn)業(yè)成為全球科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)，芯片的性能指標(biāo)、創(chuàng)新能力與迭代方向引發(fā)全球關(guān)注。面向未來(lái)產(chǎn)業(yè)的“芯”方向、“芯”需求，《中國(guó)電子報(bào)》開(kāi)設(shè)“未來(lái)之芯”專(zhuān)欄，探討半導(dǎo)體在未來(lái)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)階之路。

AR眼鏡被視為AI落地端側(cè)的最佳載體，AI+AR已成大勢(shì)所趨。然而，在AI功能持續(xù)融入AR眼鏡的過(guò)程中，基于玻璃、樹(shù)脂等傳統(tǒng)鏡片基底材料的光波導(dǎo)方案，難以滿(mǎn)足AR及AI眼鏡對(duì)更廣視角、更低重量、更長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的追求。近年來(lái)，寬禁帶半導(dǎo)體的代表材料——碳化硅，進(jìn)入了AR整機(jī)廠商的視野。在新能源領(lǐng)域，碳化硅已經(jīng)成為提升能源轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)功率密度的核心材料。如今，在光學(xué)顯示領(lǐng)域，碳化硅被視為破解AR全彩顯示核心瓶頸的“鑰匙”。圍繞碳化硅在AR眼鏡的規(guī)?；瘧?yīng)用，碳化硅、光波導(dǎo)、AR整機(jī)企業(yè)正在協(xié)作開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新與需求適配。

高折射率、高導(dǎo)熱率，碳化硅破解AR顯示痛點(diǎn)

AR眼鏡追求輕薄形態(tài)的趨勢(shì)，使光波導(dǎo)從離軸、棱鏡、自由曲面等諸多光學(xué)顯示技術(shù)中脫穎而出，成為AR光學(xué)方案的主流。而光波導(dǎo)方案中，又以幾何光波導(dǎo)、衍射光波導(dǎo)兩種技術(shù)路線最為成熟。其中，衍射光波導(dǎo)能將FOV（視場(chǎng)角）做得更大、鏡片做得更薄，從2015年起就陸續(xù)應(yīng)用于微軟Hololens、Magic Leap one、OPPO Air Glasses等AR或全息眼鏡產(chǎn)品。

然而，AR眼鏡基底材料多為玻璃或樹(shù)脂。隨著AR眼鏡全面擁抱AI，功能集成度與顯示品質(zhì)要求不斷提升，玻璃衍射光波導(dǎo)暴露出明顯的局限，包括體積重量偏大以及全彩顯示中的彩虹紋現(xiàn)象等。

2019年，Meta公司的AR眼鏡團(tuán)隊(duì)，將目光投向了寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表——碳化硅。

當(dāng)時(shí)，Meta Orion團(tuán)隊(duì)為Meta創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官馬克·扎克伯格演示了AR眼鏡的碳化硅波導(dǎo)方案。時(shí)隔6年，Meta光學(xué)科學(xué)家Pasqual Rivera仍然對(duì)那次演示記憶猶新。在Meta于2025年3月發(fā)布的博文中，Rivera提到，佩戴采用玻璃衍射波導(dǎo)方案的AR眼鏡時(shí)，仿佛置身于迪斯科舞廳，布滿(mǎn)視野的彩虹紋讓他無(wú)法將注意力集中到AR內(nèi)容本身，而戴上碳化硅波導(dǎo)眼鏡的那一刻，他看到了AR眼鏡的另一種可能，“當(dāng)你換上碳化硅光波導(dǎo)眼鏡，仿佛來(lái)到交響樂(lè)廳，聆聽(tīng)靜謐的古典樂(lè)章，終于能全身心沉浸在全景體驗(yàn)中，這徹底改變了游戲規(guī)則?！?/p>

碳化硅波導(dǎo)晶片（來(lái)源：Meta官網(wǎng)）

三安光電技術(shù)中心總經(jīng)理王篤祥向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，碳化硅的高折射率和高導(dǎo)熱率，能夠?yàn)锳R眼鏡帶來(lái)四大優(yōu)勢(shì)。

一是實(shí)現(xiàn)更大視場(chǎng)角。相比普通樹(shù)脂約1.51、高折射率樹(shù)脂約1.74、普通玻璃約1.5、高折射率玻璃約1.9的折射率，碳化硅材料折射率可達(dá)2.6以上。在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，基底材料的折射率越高，AR鏡片能實(shí)現(xiàn)的視場(chǎng)角越大。傳統(tǒng)玻璃經(jīng)過(guò)三層堆疊后的視場(chǎng)角僅為40度左右，而單層碳化硅鏡片即可實(shí)現(xiàn)80度以上視場(chǎng)角。

二是有助于解決彩虹紋問(wèn)題。彩虹紋指環(huán)境光透過(guò)AR波導(dǎo)后，白光變成彩虹光的分光現(xiàn)象，本質(zhì)上是光柵對(duì)不同波長(zhǎng)（顏色）光的衍射角度差異導(dǎo)致的色散。高折射率的碳化硅可以壓縮光在材料中的有效波長(zhǎng)，進(jìn)而降低光柵周期，增大環(huán)境光的衍射角度，使其超出人眼的觀察范圍，進(jìn)而解決分光造成的彩虹紋問(wèn)題。

三是延長(zhǎng)穩(wěn)定續(xù)航時(shí)間。碳化硅的熱導(dǎo)率（約490W/m·K）遠(yuǎn)高于玻璃（約1W/m·K）、樹(shù)脂等傳統(tǒng)光學(xué)材料，能夠快速傳導(dǎo)光機(jī)模塊和計(jì)算單元產(chǎn)生的熱量，避免局部溫度過(guò)高導(dǎo)致的性能下降或器件損壞，支持高亮度顯示（如5000尼特峰值亮度）和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

四是簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)AR眼鏡依賴(lài)鏡腿散熱模塊或主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，增加了設(shè)備重量和復(fù)雜度。碳化硅的高熱導(dǎo)性允許將散熱功能集成到光波導(dǎo)片本身，通過(guò)被動(dòng)散熱即可滿(mǎn)足需求。此外，碳化硅優(yōu)秀的散熱性能為提升AR眼鏡集成度、配置更多傳感器留出冗余。

Meta Orion眼鏡、肌電信號(hào)腕帶和獨(dú)立計(jì)算單元（來(lái)源：Meta官網(wǎng)）

2024年9月，Meta推出其首款A(yù)R眼鏡Orion的原型機(jī)?；谔蓟璨▽?dǎo)方案，這款A(yù)R眼鏡實(shí)現(xiàn)了約70度的視場(chǎng)角，是當(dāng)時(shí)AR眼鏡最廣闊的視野范圍，并構(gòu)建了能夠最大限度抑制彩虹紋等雜散光影響的光學(xué)堆棧結(jié)構(gòu)，還優(yōu)化了功率與能效表現(xiàn)。Meta Orion的全透明鏡片，使用戶(hù)佩戴時(shí)仍能清晰地看到他人的眼神與表情，在享受數(shù)字體驗(yàn)的同時(shí)，保持與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)聯(lián)結(jié)。

自此，產(chǎn)業(yè)界對(duì)于碳化硅的熱情，被徹底點(diǎn)燃。

國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新蓄勢(shì)，上下游適配正當(dāng)時(shí)

雖然碳化硅在功率半導(dǎo)體的應(yīng)用由來(lái)已久，但要作為波導(dǎo)片的基底材料應(yīng)用于AR眼鏡，還需要全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同支撐。

在2020年7月，Meta團(tuán)隊(duì)將碳化硅波導(dǎo)確定為Orion的最終方案時(shí)，就面臨著全球產(chǎn)業(yè)界缺乏“光學(xué)級(jí)碳化硅制造”設(shè)備與工藝的難點(diǎn)。為此，Meta團(tuán)隊(duì)與晶圓制造企業(yè)共同開(kāi)發(fā)出適用于規(guī)?；a(chǎn)的斜面蝕刻設(shè)備與工藝，自主搭建了全流程產(chǎn)線，以發(fā)揮碳化硅效能。

中國(guó)在光學(xué)顯示和寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)布局，為碳化硅在AR顯示的規(guī)?；瘧?yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在顯示領(lǐng)域，中國(guó)是全球最大的顯示面板生產(chǎn)制造基地和研發(fā)應(yīng)用地區(qū)；在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域，中國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體器件規(guī)模穩(wěn)步提升，裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)一步加速，襯底和晶圓制造產(chǎn)線加快建設(shè)和產(chǎn)能釋放。

在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)，正在圍繞碳化硅波導(dǎo)的設(shè)計(jì)、制造、封裝等環(huán)節(jié)，推出更多滿(mǎn)足AR光學(xué)需要并具備規(guī)?；慨a(chǎn)可行性的技術(shù)方案。

比如，西湖大學(xué)、慕德微納（杭州）科技有限公司團(tuán)隊(duì)于2025年8月發(fā)表在《eLight》論文中，提到了一種“采用碳化硅材料成功研發(fā)出超輕、超薄的衍射光波導(dǎo)”的方案，實(shí)現(xiàn)了單層碳化硅衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)、量產(chǎn)級(jí)制造與封裝。

在材料上，該方案選用半絕緣4H-SiC（采用四層六方堆疊結(jié)構(gòu)的碳化硅）作為基底材料；在工藝上，開(kāi)發(fā)出適用于大規(guī)模生產(chǎn)的納米壓印剝離工藝，實(shí)現(xiàn)了圖案在碳化硅晶圓上的高效轉(zhuǎn)?。辉诜庋b上，通過(guò)引入超薄封裝工藝，采用硬質(zhì)涂層與抗反射涂層構(gòu)成的夾層結(jié)構(gòu)包裹碳化硅波導(dǎo)，有效提升了透光率并保護(hù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

經(jīng)封裝與激光切割后，最終成型的單片碳化硅波導(dǎo)重量?jī)H3.795克，厚度0.75毫米，相較當(dāng)前主流衍射光波導(dǎo)在尺寸與重量上實(shí)現(xiàn)顯著突破。

同時(shí)，本土碳化硅企業(yè)紛紛推出符合AR光學(xué)要求的產(chǎn)品，并深化與AR整機(jī)廠商的合作。

寬禁帶半導(dǎo)體供應(yīng)商湖南三安（三安光電的全資子公司），推出了整體性能滿(mǎn)足AR眼鏡制造需求的光學(xué)晶片，并有充足的產(chǎn)能儲(chǔ)備，產(chǎn)量持續(xù)爬坡。目前其6英寸及8英寸光學(xué)晶片已通過(guò)國(guó)際頭部客戶(hù)認(rèn)證，并實(shí)現(xiàn)小批量出貨，12英寸光學(xué)晶片已向客戶(hù)送樣驗(yàn)證。同時(shí)，依托三安光電業(yè)界領(lǐng)先的Micro-LED量產(chǎn)能力，湖南三安的SiC襯底可以在AR眼鏡應(yīng)用領(lǐng)域與Micro-LED形成解決方案協(xié)作，積極推動(dòng)國(guó)產(chǎn)技術(shù)規(guī)?；涞嘏c應(yīng)用

湖南三安面向AR設(shè)備的光學(xué)晶片

碳化硅襯底供應(yīng)商天科合達(dá)與慕德微納出資成立合資公司，在AR衍射光波導(dǎo)鏡片技術(shù)研發(fā)與市場(chǎng)推廣方面展開(kāi)深度合作。在今年3月的Semicon China 2025，天科合達(dá)展示了結(jié)合慕德微納光波導(dǎo)技術(shù)的碳化硅光波導(dǎo)AR眼鏡。

天科合達(dá)在Semicon China展出的碳化硅光波導(dǎo)AR眼鏡

面向AR+AI的技術(shù)趨勢(shì)，持續(xù)強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同適配，已經(jīng)成為碳化硅與AR產(chǎn)業(yè)從業(yè)者的共識(shí)。今年9月，工業(yè)和信息化部電子信息司在京組織開(kāi)展AR眼鏡-碳化硅材料產(chǎn)業(yè)鏈供需對(duì)接活動(dòng)。AR眼鏡整機(jī)、光波導(dǎo)、微顯示和碳化硅材料等領(lǐng)域的十余名行業(yè)組織和企業(yè)代表參加。參加人員一致認(rèn)為，要充分發(fā)揮我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，堅(jiān)持應(yīng)用牽引，強(qiáng)化需求導(dǎo)向和問(wèn)題導(dǎo)向，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同和供需適配，共同推動(dòng)電子信息制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

王篤祥表示，當(dāng)前限制碳化硅材料廣泛應(yīng)用于AR眼鏡的主要原因是碳化硅鏡片成本，而這需要基于產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作和本地化配套來(lái)解決。

“8英寸、12英寸碳化硅晶片分別能切削出4副、10副鏡片，相比玻璃和樹(shù)脂材質(zhì)，碳化硅鏡片成本高出很多。未來(lái)碳化硅晶片應(yīng)用于AR眼鏡需要大幅度降低成本，碳化硅晶體生長(zhǎng)和晶圓加工設(shè)備、原料、輔料等方向都需要國(guó)產(chǎn)化，并通過(guò)大規(guī)模生產(chǎn)降低成本?！蓖鹾V祥說(shuō)道。

責(zé)任編輯：張心怡