“追光”二十载，不久前，潘安练又点“亮”了单屏彩色Micro-LED微显示芯片，还在量子点光刻辅助彩色化上也取得了重要突破，实现了彩色化“两条腿”走路。
作为湖南光电集成创新研究院院长，潘安练还是Micro-LED微显示芯片初创企业诺视科技的首席科学家。随着传统电子芯片逼近极限，他把目光聚焦在芝麻粒大小的微显示屏上，致力于为国产芯片寻找着新赛道上的“曙光”。
2022年，潘安练团队研发的“AR眼镜用高像素密度高亮度硅基Micro-LED微显示芯片”，就实现了当时世界上最小微显示屏——0.12英寸，并获得2022年全国颠覆性技术创新大赛总决赛优胜奖。
近日，他带领团队联合诺视科技又点亮了单片集成堆叠（VSP)彩色Micro-LED微显示芯片，这也是首个0.39英寸堆叠AM微显示芯片点亮原型。
vsp堆叠彩色原型 受访者供图
“基于Micro-LED的芯屏一体化研究和产学研布局，源自我长期以来在光电集成研究领域深耕的梦想，更出自让我国在新一代信息领域走在世界前列、实现科技自立自强的担当。”潘安练在接受《中国科学报》采访时表示。
小芯片，大作为
随着互联网的发展，传统电子芯片已无法满足人工智能、元宇宙等场景需求，具有带宽大、能耗低、速度快的新型光电芯片技术，被视为下一代高性能芯片技术的重要趋势，Micro LED就曾一度被视为颠覆面板行业的技术。
Micro-LED本质上是将LED微缩化、矩阵化，在一块芯片上高密度集成自发光的微型像素点阵列，每一个像素点在微米甚至亚微米尺寸下做到可寻址的独立控制。
潘安练告诉《中国科学报》，Micro-LED所具有的高亮度、小型化的特征是传统显示技术所不可比拟的，其高性能可以满足AR眼镜所需要的低功耗、高亮度、高分辨率、小尺寸的要求，是实现增强现实以及混合现实技术的理想终端。
据潘安练介绍，此次团队点亮的单片集成堆叠彩色Micro-LED微显示芯片，是继2023年第三季度实现VSP PM无源（被动驱动）微显示芯片点亮后，成功实现AM有源（主动驱动）点亮和技术验证，也是全球首个0.39英寸堆叠AM微显示芯片点亮原型，并且点亮的芯片还采用了合作伙伴数字光芯提供的CMOS彩色驱动背板。
在他看来，就是这样一颗芝麻粒大小的微显示屏，将为人们带来一场前所未有的数字革命，并改变人类未来生活，“Micro-LED微显芯片能够让虚拟和现实自然地融为一体，使人们步入穿戴式的互联网时代，实现随时随地进行交互。”
实际上，潘安练团队此前就实现了0.39英寸和全球最小0.12英寸的单色RGB微显示芯片核心技术的突破，“此次0.39英寸单屏彩色Micro-LED微显示芯片将不同颜色的子像素从单色到双色再到三色进行空间上的三维堆叠，再结合微纳制造和集成电路的工艺，通过刻蚀和图形化制造出最终的Micro-LED芯片，且能够达到不错的效果，有很大的希望实现商用”。
他表示，此次突破不仅再次验证了VSP技术方案的可行性，还为后续的性能、良率等优化以及单屏彩色产业化落地积累了重要经验。
从实验室走向市场
“Micro-LED正处于大规模商用的前夜，谁最先把技术难点攻克，谁就能抓住这个机会”，潘安练说。
但他也指出，Micro-LED全彩显示技术方案复杂，实现量产和商业化的难度较大，现阶段行业内提出的技术方案在良率、稳定性、成本和工艺的成熟度等各个方面都很难达到要求。目前可商业化的仅有光学棱镜合光的方案，但在尺寸、效率和成本上均有很多局限，“因此，单屏彩色化极有可能是实现Micro-LED大规模商业量产的最佳答案。”
他进一步介绍，单屏彩色化技术路线主要包括三色巨量转移、量子点色转换、堆叠等技术路线，虽然相较于巨转方案、色转方案的局限性，三原色堆叠存在巨大优势，但实现难度仍然很大，“学术界及产业界从外延段堆叠、芯片段堆叠都有进行尝试，但外延段堆叠基于材料限制，其波长漂移、半波宽以及亮度等方面目前还无法较好匹配商业化需求。”
潘安练对通过VSP技术和集成电路工艺深度融合的技术方案实现商业化很有信心。一方面，晶圆级VSP技术采用集成电路制造工艺将多个微型LED发光单元在三维方向上进行堆叠，可以实现小像素尺寸以及高发光效率；另一方面，基于VSP技术，采用纯无机的AlGaInP、GaInN材料，可以做到大尺寸外延堆叠集成；此外，采用大尺寸集成电路产线，可以实现BOM成本的大幅度降低。
除了成功点亮单屏彩色Micro-LED微显示芯片外，潘安练团队在量子点光刻辅助彩色化上也取得了重要的突破，同时还在上下游进行了积极布局，包括Micro-LED材料的制造和加工，芯片、光机的研制以及AR眼镜透光率、颜色的转化等，加快推进芯片的产业化进程。
vsp堆叠彩色原型 受访者供图
潘安练透露说，诺视堆叠单屏全彩将基于纯无机的四元AlGaInP和三元GaInN化合物材料，目标在2024年底发布原型机并进行量产。
前瞻布局
刚踏上“追光路”时，潘安练看到的“光”还十分微弱，在光电集成这条最初还相对冷门的路上，他一走就是20年，并推动了湖南省在光电集成领域产研一体的前瞻性布局。
2010年，潘安练结束在国外的科研工作，加入湖南大学，先后推动打造了多个省部级研发平台，并创建了新型研发机构——湖南光电集成创新研究院，组建了一支致力于光电材料与集成应用核心技术开发、产学研深度融合的顶尖团队。
2018年，为了进一步将基础研究推向应用，他又带领团队和相关部门前往国外考察。Micro-LED等代表未来新质生产力的核心技术，引起了他的高度重视。
2019年光电集成创新研究院作为连接基础和应用的平台正式启动建设，潘安练团队与诺视科技的创始人团队强强联合，走向了从基础研究到应用落地的产学研合作新模式。潘安练还以第一完成人获得了2019年度国家自然科学二等奖。
2024年1月，潘安练担任湖南师范大学副校长后，便开始筹划桃子湖未来技术研究院的建设，他希望围绕新一代信息技术核心领域——空间计算，通过校际协同、校地合作及产教融合机制，打造新的创新联合体，把Micro-LED等核心技术在数字文创和智能制造等湖南优势特色领域实现转化和应用。
“我们原本认为大规模的商业化落地还需要五到十年的时间，但现在看来似乎有点保守了，我觉得应该会更快，在三到五年内可能就会出现比较规模化的应用。”潘安练对Micro-LED微显示芯片商用化“光”景充满了信心。
