AR光学的下一代材料，碳化硅加入量产竞赛

AR光学材料碳化硅，到底卡在了哪里？

作者｜段嘉许

编辑｜山子

日前，由浙江省3D微纳加工与表征研究重点实验室、西湖大学光电研究院和慕德微纳三方团队共同发布的一篇论文预印本中，展示了一种厚度仅为0.35mm、重量仅为1.98g的全彩碳化硅衍射波导。

论文同时给出了兼容纳米压印的晶圆级制造方案，可在8英寸SiC晶圆上实现4对镜片的图形化制造。相比2025年公布的0.75mm、3.795g方案，SiC波导又向轻量化和规模制造推进了一步。

这也让SiC这条过去更多出现在半导体、新能源汽车语境中的材料路线，再次进入AR显示的视野。

事实上，SiC进入AR并不是最近才发生的事。Meta Orion已经将SiC光波导推到了行业聚光灯下，国内外也有越来越多科研团队、企业开始围绕SiC波导展开研发。为什么大家都在研究SiC，它又将在未来如何改变AR显示呢？

答案，要从SiC本身的材料特性讲起。

为什么偏偏是SiC？

碳化硅（SiC）是一种由硅和碳组成的化合物材料，同时也是典型的宽禁带半导体（SiC、GaN等第三代半导体材料，具有耐高压、低导通损耗、导热性好等特性）。

它的用途非常广。早期，人们看中的是它“耐造”，碳化硅可以作为磨料用于砂轮、切割片，也可以制成防弹陶瓷用在防弹背心上。又或者在像法拉利、兰博基尼这样的高性能汽车上，碳纤维增强碳化硅复合材料还被用于制造碳陶刹车盘。

进入半导体时代后，人们又开始利用它耐高压、耐高温、导热性能好的特点，制造功率MOSFET、肖特基二极管等器件。在更前沿的方向上，SiC还逐渐进入集成光子学、量子网络、自旋量子比特等研究领域。

从这些看起来跨度极大的应用中，其实也不难看出，SiC具有非常鲜明的材料特点，硬、耐热，而且非常稳定。

SiC的莫氏硬度可以达到约9～9.5，仅次于钻石。同时，它拥有较高的热导率和较低的热膨胀系数，在温度发生剧烈变化时也不容易产生明显形变。

而在光学领域，人们看中它另一个非常突出的特性，高折射率。

2024年，Meta在Orion中公开采用SiC衍射光波导，将这条此前相对小众的材料路线推到了AR行业聚光灯下。

SiC在AR光学显示中的应用，主要与衍射光波导有关。

简单来说，衍射光波导会在镜片表面制造纳米级光栅结构，负责让光进入波导、改变传播方向，最终再将光导向人眼。而在这段过程中，光能够在一片薄薄的镜片中传播数厘米，依靠的则是另一个基本光学现象——全反射。

当光从高折射率材料内部射向低折射率介质，例如从玻璃射向空气时，随着入射角不断增大，折射光会越来越贴近界面。当入射角超过某一个临界值后，光不再从材料中射出，而是全部被反射回材料内部，这就是全反射。

而其中那个临界值，被称为“临界角”。不同材料的折射率不同，发生全反射的临界角也不同。折射率越高，临界角越小，也就意味着更多不同角度的光可以被“关”在波导内部传播。

我们看一组演示：

而玻璃目前能达到的“最高”折射率在2.0，为了更进一步，人类还在寻找更好的材料，这时候就轮到折射率为2.6的SiC出场。

这也是Meta选择SiC的重要原因之一。Orion最终实现了约70°视场角，而在一些模拟中，在相同设计条件下，折射率为2.0的玻璃基底理论FOV上限约为35°，SiC则可以达到80°。

高折射率带来的另一个潜在优势是单片全彩。

传统全彩衍射光波导中，红、绿、蓝三种不同波长的光经过光栅后，传播角度并不相同。为了让三种颜色都能稳定在波导中传播，一些方案会使用两层甚至三层波导分别处理不同颜色。

而SiC更大的折射率，为RGB三色提供了更宽裕的角度空间，使三种颜色集成在同一片波导能够成为现实。2025年，西湖大学等团队就展示了单层、全彩、无彩虹效应的SiC衍射光波导。

所以，2.6折射率的SiC，理论上是能同时牵动FOV、全彩显示以及整机轻薄化几个AR眼镜最核心问题“大进化”的、真正的下一代材料。

好材料，也是“硬骨头”

经常当上帝的朋友可能知道，上帝给你开了一扇窗，往往意味着门是关着的。SiC这个各方面都很“完美”的材料没有早点大规模应用，肯定也存在着难以攻克的问题。

最底层的问题是用于AR的SiC和用于功率器件的材料要求不一样，在第一步做出原材料就要考虑晶体缺陷、杂质、正片材料的均匀性等等问题。

而到第二步“加工”时，问题就更大。SiC它不仅硬，且脆。前面提到，SiC的莫氏硬度接近钻石，同时它又是典型的硬脆材料，在受力时很难通过塑性变形释放应力，可以想象一下大型玻璃窗户受到石子击打后碎裂的效果。

从最原始的SiC晶体到波导镜片，中间要经历切割、研磨、抛光等环节，后续还要进行纳米结构加工，SiC硬度高意味着切割、打磨很慢，在这个过程中，还容易产生损伤、裂纹。而这些损伤在以“看”为核心的光学器件中，显然是不能接受的。

这个难度在数据中亦有体现。据Meta称，生产100万副AR眼镜可能需要多达30万片150毫米的碳化硅晶圆。

而且，在工业化生产时，光学级SiC还没办法完全沿用其他已成熟产业的生产流程。

半导体行业其实已经很常用SiC了，但是光学级SiC要求材料具有较高的透明度、极低的缺陷，以及非常严格的厚度和平整度控制。但同时，AR光学镜片的面积又比普通芯片的面积大，要在更大面积上保持更严苛的指标一致，难度就更大。

在一些公司的财报中也提到：“随着AR应用的发展，行业对衬底平整度（TTV）提出了更为严苛的要求……公司重点优化抛光工艺，攻克大尺寸抛光过程中边缘厚度易塌陷的难题，将全尺寸衬底TTV降至1μm以下。”

有了合格的SiC透明基底之后，要做成衍射光波导镜片，还需要给它的表面加工上光栅。

Meta在Orion上采用的就是直接加工在SiC表面的倾斜光栅。问题在于，在这样一种接近钻石硬度的材料上，加工尺寸只有数百纳米、并且倾斜角度高度一致的结构，难度也很高。

前文提到来自西湖大学的团队，提出了一种“批量”的方法。预印版中写到，这是一种与纳米压印兼容的并行梯度转移工艺，并在8英寸SiC晶圆上展示了4对镜片的晶圆级图形化制造。

如果简单的来理解，就是先做好一套包含不同光栅参数的母版，再通过类似压印+转移的方式，把这些复杂结构批量复制到SiC上。

除了上述的步骤，做好的波导还需要与光机等部件装配成完整的显示模组，而封装本身也可能影响波导的光学性能。

结合全反射原理，波导内部的光能否稳定传播，取决于波导材料与外部介质之间的折射率差。裸波导外侧通常是空气，但在进入模组后，如果镜片表面贴合了胶层、保护层或其他光学材料，界面的折射率条件就会发生变化，原本能够全反射传播的部分光线可能产生泄漏。

看起来，AR要想用上SiC，还有很长的路要走。

从原材料到光波导，SiC产业链在哪一层？

正如我们反复提到的，在产业链上，SiC这个材料本身并不新，真正比较新的是面向AR的“光学级SiC”，但整体来说，材料本身的生产进度跟进比较迅速。

像海外的Wolfspeed、Coherent，国内的天岳先进、天科合达等企业，都已经拥有成熟的SiC晶体生长和晶圆加工能力。

其中，国内进度较快的是天岳先进。在2025年3月26日，上海SEMICON China 2025大会上，其发布了12英寸高纯半绝缘、p型碳化硅衬底。同年7月的半年报中，天岳先进公布与舜宇奥来达成战略合作，由前者提供材料能力，后者提供微纳光学加工能力，继续向下游光学器件延伸。

天科合达也类似，同一时间同一大会，其首次发布8英寸光波导型SiC衬底，并明确表示要推动其进入量产。更早一个月，天科合达还与慕德微纳共同成立合资公司，前者提供SiC衬底，后者负责微纳光学和衍射光波导加工。到2026年，其8英寸光波导型衬底已经作为独立产品对外展示。

海外几家老牌的SiC厂商也在推进。Wolfspeed在2025年正式商业化推出8英寸SiC材料，2026年制备出12英寸单晶SiC晶圆。Coherent同样已经具备8英寸SiC衬底和外延片生产能力，并在2025年底公布12英寸SiC平台。相比只提供晶圆材料，Coherent还拥有衍射耦合器、光学镀膜等能力，因此一直在尝试把SiC从材料进一步延伸到AR光学器件。

在波导应用上，目前国内也有很多企业有针对性的投产、跟进。

慕德微纳在2024年公开SiC AR衍射光波导，随后与西湖大学团队持续推进单层全彩、无彩虹纹方案。2025年底，其一期AR波导量产线建成，官方披露的纳米压印和刻蚀能力达到每月5000片8英寸晶圆。到2026年，展示30°、50°全彩SiC波导，50°版本披露光效超过1000 nits/lm，搭配光机演示的系统亮度超过 3000 nits。开头提到的0.35mm波导，也来自这一产学研体系。

广纳四维在2025年公布C45C全彩SiC刻蚀波导，厚度约0.7mm、视场角30°，并应用到Coray Air2 AR眼镜中。公司称该型号已经进入量产，并披露多款SiC全彩波导已实现批量交付。

歌尔光学选择的则是另外一个不同的路线，推进大FOV方向。2026年初，歌尔光学公布F50Se全彩SiC光波导显示模组，将视场角做到50°。同期展示的F30Se SiC刻蚀波导厚度已经压到0.65mm。

舜宇也已经将SiC列入下一代AR光学方案。在其公开资料中，SiC光波导方案目标已经做到50°以上视场角，并与天岳先进从材料端展开合作。

就目前来看，是材料端基于原本的实力，成熟度比较高，像8寸、12寸都在产业化推进，波导加工端则来到晶圆级制造、小规模量产甚至终端产品展示阶段，不过整个行业距离低成本、大规模消费级出货，再到大面积消费级应用和市场认知，还是有不小的距离。

       原文标题 : AR光学的下一代材料，碳化硅加入量产竞赛