一、LENS工艺概述

LENS工艺是指在Micro LED芯片出光表面或衬底背面引入具有特定曲率的微米级光学结构（微透镜阵列，Microlens Array，简称MLA），通过改变光线在界面的入射角，使原本满足全反射条件的光子获得"逃逸"通道，从而提升光提取效率并对出光角度进行精准整形的技术。

Micro LED作为下一代显示技术，具有高亮度、高对比度、快响应、长寿命等特性。但在微米级芯片尺度上，存在一个根本性的物理瓶颈：由于GaN等半导体材料与空气之间存在巨大的折射率差异（GaN折射率约2.5，空气为1.0），大量光子在全反射条件下被锁死在芯片内部，反复振荡直至被吸收或损耗。裸芯片状态下Micro LED的光提取效率往往不足30%，超过70%的光能被浪费。

与此同时，在AR/VR近眼显示、微投影、车载HUD等前沿场景中，Micro LED不仅需要"更亮"，还需要"更准"——即对出光角度进行精准整形，将原本呈朗伯体分布（半发散角±60°）的漫射光压缩为定向光束。LENS工艺正是在"提效"与"整形"两个维度上，为Micro LED打开了新的光学设计空间。

二、LENS工艺的两大核心应用

2.1 光提取效率提升

微透镜阵列通过在芯片出光表面引入光学结构，改变光线在界面的入射角，使满足全反射条件的光子获得逃逸通道，从而提升外部量子效率（EQE）。不同LENS方案在光提取效率上的表现差异较大：

（数据来源：综合整理自Chalmers University of Technology、福州大学、MICLEDI及相关期刊文献）

2.2 光束整形：从漫射到准直

传统LED呈典型的朗伯体辐射特性，发光半角达±60°，在AR波导耦合、高密度像素阵列等场景下会造成严重的串扰和能量浪费。微透镜阵列通过几何光学调控，可将发散光束重新分配，实现准直、聚焦或匀化。

（数据来源：福州大学严群/陈恩果课题组《光学学报》2025年封面文章；相关公开发表的技术资料）

三、七条主要制备技术路线

Micro LED用微透镜的直径通常在5μm~100μm之间，填充因子越接近100%，光提取效率越高。当前业界主要采用以下七类制备技术：

3.1 灰度光刻

通过调节曝光剂量，在光刻胶中形成连续变化的灰度图案，经显影后获得平滑的3D曲面轮廓，再转印至衬底或封装层。可制造非球面、自由曲面等复杂透镜形貌，精度高但掩模板制备复杂。

3.2 纳米压印光刻（NIL）

利用预先制备的硬模具，以机械压印方式将微透镜图案复制到树脂或玻璃基板上。最大优势是高产能、低成本、大面积一致性，适合晶圆级批量制造。

3.3 干法刻蚀

以ICP-RIE等技术，将光刻胶图案转移至GaN、蓝宝石或玻璃衬底。两阶段干法刻蚀新工艺可有效改善传统湿法刻蚀侧壁陡直度不足（<80°）、顶部圆顶塌陷等问题，实现更陡峭的侧壁角和更光滑的曲面形貌。

3.4 热回流法

将柱状光刻胶加热至玻璃化转变温度以上，利用表面张力使光刻胶自动收缩成半球或球冠形微透镜。成本低、工艺简单，但透镜曲率受限于材料表面张力，且光刻胶热稳定性差，不适合高温工作环境。

3.5 UV选择性曝光

通过预先设计的光掩模，选择性地将UV胶膜暴露在紫外光下，曝光后的微柱因未固化胶层的润湿过程自发形成微透镜。华中科技大学团队2020年利用该方案在COB-LED上制备微透镜阵列，蓝光光效提升50.9%。

3.6 激光直写

利用飞秒或皮秒激光，在光刻胶或光学材料表面直接雕刻出微透镜三维形貌。精度极高，可制造非周期性、自由曲面透镜，但加工速度极慢、设备成本极高，主要用于原型验证和小批量定制。

3.7 喷墨印刷

将高折射率材料以皮升级液滴精准喷射到Micro LED芯片表面，经UV固化后形成微透镜。该技术无需光刻、无需掩模，可直接在已切割或已转移的芯片上按需打印，与Micro LED巨量转移后工艺高度兼容。

四、LENS工艺的制备难点

4.1 提效效果与投入产出比

相较于光子晶体（提升可达130%）或表面粗化（工艺更简单），微透镜在纯"提效"维度上的性价比偏低。若核心诉求是最大化光提取效率，LENS并非首选方案。业界当前的普遍策略是"组合拳"——将表面粗化或侧壁修复（提效）与微透镜阵列（整形）结合使用。

4.2 对准精度与像素匹配

Micro LED像素间距已进入10μm以下（P<10μm），微透镜直径需与像素尺寸一一对应。光刻套刻误差、热膨胀失配或巨量转移后的位置偏差，都会导致透镜光轴与LED发光中心偏离。当透镜中心与芯片发光区偏移超过透镜直径的15%时，光提取效率与光束质量会急剧劣化。全彩Micro LED还需分别对R/G/B三种芯片匹配不同曲率透镜，工艺复杂度倍增。

4.3 材料折射率与工艺兼容性

高折射率材料（如TiO₂，n≈2.5；ZrO₂，n≈2.2）在提升光提取效率上优势明显，但这些无机材料往往需要高温沉积或退火，与Micro LED芯片已有的量子阱、电极、钝化层存在热预算冲突。聚合物材料（PMMA、PDMS、UV胶，n≈1.4~1.6）工艺温度低，但折射率不足，导致光提取效率提升受限（通常仅20%~40%）。

4.4 工艺良率与量产成本

50. 湿法刻蚀存在侧壁陡直度不足（<80°）、顶部圆顶塌陷等问题。
50. 热回流法的光刻胶在高温高湿环境下透镜形貌可能蠕变，且焦距固定无法适配多波段。
50. 纳米压印的模具寿命、脱模残留和大面积均匀性仍是晶圆级量产的挑战。
50. 干法刻蚀设备投资高，刻蚀选择比难以兼顾多种衬底。

五、小结

微透镜阵列（MLA）在Micro LED的LENS工艺中，具备光提取效率提升（+23%~+44%）与光束整形（发散角可压缩至±20°甚至±10°以内）两大核心功能，在光整形能力、芯片集成度与技术成熟度上取得了最佳平衡。七条制备路线各有优劣，灰度光刻与纳米压印在精度与量产性之间平衡较好，喷墨印刷因与巨量转移后工艺高度兼容而备受关注。当前主要挑战集中于材料折射率与工艺兼容性难以兼得、微米级对准精度要求严苛、以及晶圆级量产良率的持续优化。