GaN-on-Si 还是蓝宝石：MicroLED 光互连真正要选的是哪一层？

MicroLED 光互连 · 技术难点深读：衬底与集成。原始图表与独立技术分析分开呈现；点击图像可查看大图。

讨论 MicroLED 光互连时，GaN-on-Si 经常与 GaN-on-sapphire 被摆成两条竞争路线：前者被联系到大晶圆和 CMOS，后者被联系到既有 LED 工艺。接着，讨论很容易滑向“哪一种更快、更便宜、更容易量产”。

但这里首先有一个容易弄错的对象：LED 在什么材料上长出来，和它最后贴在什么芯片上工作，不是一回事。

这不是用词上的细节。若生长衬底已经被去掉，再用该衬底的热导率预测成品温升；若图里写着“Si CMOS”，就把标准硅载片上的实验当成已经工作的通信 ASIC——路线判断会从第一步开始偏离实际。

本文沿着三个问题展开：衬底究竟影响什么；为什么最大带宽不能替衬底路线排名；怎样把选择落到可验证的制造和链路指标上。

一、先把生长衬底、转移过程和最终载体分开

一颗通信 MicroLED 可以经历这样的过程：在衬底上生长 GaN 外延，制作或转移器件，再连接到驱动电路。过程中承载器件的材料可能变换不止一次。

所在层次	真正需要回答的问题	不能直接推出的结论
生长衬底与外延	缺陷、应力、量子阱、晶向和晶圆均匀性如何？	“在硅上生长”不等于在完成的 CMOS 上直接生长
去衬底与转移	怎样分离、键合、定位，并保持器件完好？	能转移单颗，不等于阵列良率和节拍已经合格
最终电／热载体	电流怎样进入、热怎样排出、寄生参数多大？	最终贴在硅上，不代表生长衬底就是硅

Avicena 的一篇 2025 年会议论文正好说明这种区别：器件由图形化蓝宝石上的外延制得，经释放和转移，分别落到硅 ASIC 或用于测试的蓝宝石载片上。下面两张显微图来自同一幅原图，却对应不同的最终载体。P1

Avicena 论文 Fig.1：上图为硅载体上的 MicroLED 阵列，下图为蓝宝石测试载片上的器件，保留原始 SEM 标尺与图注 — 原始证据 11-1｜B. Pezeshki，*GaN Micro-LEDs for Chip-to-Chip Interconnects*，CS MANTECH 2025，PDF p1，Fig.1；生长／转移过程见 p2。类型：原始 SEM 照片及作者工艺描述。上图为硅上的阵列，下图为蓝宝石测试载片；不要把测试载片误当生长路线的另一组对照。仅渲染、裁切，未重绘。原图版权归原作者／权利人；此处为技术分析所需的局部引用，未取得单独转载授权。原论文。

因此，“蓝宝石路线能不能与 CMOS 集成”并不是一道简单的是非题。能否分离、键合，以及引入多大寄生、电阻和失效率，才是实际问题。GaN-on-Si 同样不会自动免除这些步骤。

二、硅路线的制造价值，不等于省掉集成难题

CEA 的 2024 年研究采用另一种顺序：先将整片外延通过金属—金属键合转到载片，去除原衬底，再定义 LED 像素。这与先制造离散像素、再逐一放到目标位置，面对的对准和缺陷问题并不相同。P2

CEA 原始 Fig.4：200毫米外延晶圆经金属键合、去衬底，再加工 LED 的五步流程，保留原图标签和图注 — 原始证据 11-2｜Le Maitre 等，*Short range optical communication with GaN-on-Si microLED and microPD matrices*，2024，HAL 文件 PDF p5／正文 p4，Fig.4。类型：已实施工艺的流程示意，不是完整链路实测。该批实验把 200 mm GaN-on-Si 转到标准 Si(100) 载片，不能仅凭图中的“Si CMOS”标字理解成完成了功能 ASIC 集成。© 2024 The Author(s)；来源标注 CC BY-NC-ND 4.0，原图及图注保留，未重绘。此处为技术分析所需的局部引用。原论文。

这条路线有吸引力的地方，是把部分像素定位问题放到键合后的光刻中处理，让器件加工与晶圆级制造衔接。其代价则会转移到键合层、整片缺陷分布、去衬底均匀性，以及后续加工的热预算上。图上的一条完整工艺箭头，不会显示这些损失发生在哪一步。

衬底对外延的影响也不能忽略。晶格和热膨胀失配需要通过外延结构、缓冲层与应力管理处理；晶圆弯曲会影响后续光刻、键合间隙和加工均匀性。这里不能用一个“缺陷少／多”的标签概括全片：缺陷密度、位置分布以及它们是否落在实际发光区，都会影响结果。

另一个独立维度是晶向。极性、半极性和非极性影响量子阱内部电场及电子—空穴重叠，但**“Si／蓝宝石”不是“极性／非极性”的同义词**。比较时至少要同时写出外延结构、晶向、波长和电流密度。

此外，硅不只是机械与散热材料，也可能处在出光路径上。保留硅衬底时，向下传播的可见光可能被吸收；反射镜或去衬底可以改变这部分损失，但又引入反射层、电接触和加工完整性的要求。Dai 等将硅吸收列为其蓝光样品功率较低的可能原因之一，并讨论反射与去衬底措施；由于两组波长和外延也不同，这仍不是单独量出的衬底吸收惩罚。P3

三、反直觉的原始数据：带宽更大，链路却未必更快

下面的原表来自 Dai 等的研究。它比较了硅衬底上的蓝光器件与蓝宝石衬底上的紫光器件，像素尺寸均覆盖 10—80 μm。这是很有用的数据，但不是仅更换衬底的严格对照。P3

Dai 等原始表1和表2，完整保留10至80微米蓝光和紫光MicroLED的光功率、最大外量子效率、最大带宽与最大数据率 — 原始证据 11-3｜Dai 等，*Size-dependent characteristics of GaN-based micro-LEDs for simultaneous display and wireless optical communication*，2025 Early Posting 文件 PDF p5，Tables 1–2；对应正式文章 COL 23(8), 082501。类型：实验结果汇总。光功率一行统一为 10 mA；其余行是各自最大值，并非全部来自同一工作点。通信采用 OOK、0.3 m 自由空间，偏置与信号幅度经优化，以 pre-FEC BER 阈值判断速率。蓝／紫波长和外延同时不同，不能单独归因为衬底。仅裁切，保留整表。原图版权归原作者／权利人；此处为技术分析所需的局部引用，未取得单独转载授权。原始早期版本 · 正式文章。

看 20 μm 这一列：蓝光组最大调制带宽为 332 MHz，紫光组为 313 MHz；但最高数据率分别为 1.032 和 1.347 Gb/s。带宽的先后顺序，并没有变成链路速率的先后顺序。

同一颜色组里也有类似现象：10 μm 器件的最高带宽更大，最佳数据率却出现在 20 μm。它提醒我们，缩小尺寸带来的高速收益，可能被收集到的光功率、信噪比、驱动匹配等因素抵消。

这些数据支持“带宽不能单独决定可用速率”，却不能支持“蓝宝石比硅更适合通信”。因为波长改变后，量子阱、出光、接收器响应和最佳偏置都可能不同。表中 10 mA 下的光功率也不是通信最佳工作点的接收光功率，不能直接拿来做链路预算。

这里还有一条阅读纪律：达到纠错前阈值，不等于论文已经展示了实际解码后的无错链路。

四、缺陷为什么可能让器件“更快”，却没有让它更好？

要理解这个陷阱，可以用一个简化的载流子复合模型。设载流子浓度为 n，总复合率近似为：

R(n) = An + Bn² + Cn³
τ_d⁻¹ ≈ A + 2Bn + 3Cn²

这里的 A 项代表缺陷相关的非辐射复合，B 项为辐射复合，C 项概括高载流子密度下的高阶损失。第二行是对复合率求导得到的微分寿命近似，适用于简化、均匀载流子模型；实际 LED 还受载流子输运、RC、热和量子阱结构影响，不能仅凭这个式子拟合出全部物理。

它揭示的关键点是：如果 A 增大，载流子可能消失得更快，但其中更多没有变成光。于是“响应变快”和“单位电流产生的有效光变少”可以同时发生。靠非辐射损失得到的速度，并不等于更好的通信器件。

另一条更常见的提速路径是提高电流密度。它可能缩短有效复合时间，却会提高温升、加重效率下降，并消耗驱动余量。真正需要寻找的不是最高带宽点，而是满足目标 BER 时，电流、收集光功率、带宽和可靠性共同允许的工作窗口。

CEA 论文把低电流密度下的带宽和能效列为后续优化方向，也说明优化外延不能只服务显示亮度，而要服务通信的动态响应。P2

五、热导率排行榜，为什么不能替代真实热路径？

一个适合做设计检查的稳态模型是：

ΔT ≈ P_heat × R_θ,total

其中，热功率不是简单等于输出光功率；总热阻也不是只由生长衬底决定。热必须经过实际保留的外延、金属、键合界面和最终载体，再向封装与散热结构扩散。界面空洞、局部接触和横向扩散会改变有效热阻；并联热路径存在时，更不能机械地把各层一维热阻全部相加。

因此，同一种外延转到不同载体上，热表现可能不同；不同生长衬底的器件，去衬底后也可能面对相似的最终散热问题。把原衬底去掉，不会抹去它留在外延里的缺陷与应力历史，却会改变它作为散热通道的直接作用。

要验证“某条路线更耐高电流”，至少需要同工作点的结温或可校准温度代理量、直流与脉冲对照、光功率和带宽随温度的变化。只比较室温台面上的峰值数据，容易把自热差异藏起来。

六、路线选择怎样落到实验与产业链？

本轮最明确的工程启示不是押注某一种衬底，而是把三个验收环节连起来：

环节	建议控制／记录	用什么结果判断是否有效
外延与器件	波长、晶向、尺寸、钝化、电流密度、温度；跨晶圆位置	同时观察效率、动态响应与漏电分布，排除“更快只是更不发光”
转移与键合	转移前后同颗器件、接触电阻、寄生电容、空洞和偏移	区分外延损失与加工引入的损失，记录全片及最差区域，而非只展示成功照片
链路与热	同一驱动／接收链、相同接收光定义、相同 BER 和码型	比较达到目标误码率所需的功率、温升和净速率，而非不同样品各自的峰值

做不到完全相同的外延时，就把比较写成“两个完整平台的比较”，不要继续声称在隔离衬底变量。若条件允许，可将同一外延批次分组转到不同最终载体，先隔离封装／热路径的贡献；再研究生长平台差异。

玩家的公开方向也应按这一框架读。2026 年 3 月 Marvell／Mojo 的联合公告把 GaN-on-Si 发射器、硅 PD 与先进 CMOS 电路列为组合架构；其中“300 mm”明确修饰 CMOS 电路，不能自动改写成已验证的 300 mm GaN 通信外延。公告说明开发方向，不等于交付了整套晶圆良率与链路验收数据。P4

对想进入这一领域的工程师，较有价值的切口是建立外延—转移—高速测试的关联数据：哪类缺陷影响的是亮度，哪类影响的是噪声和漏电；键合后带宽损失来自接触还是结温；怎样筛出需要返修的像素。这里是从公开证据推导的能力方向，不是对某家公司招聘或采购需求的确认。

结语：衬底是起点，不是最终答案

GaN-on-Si 与蓝宝石路线值得比较，但真正该比较的是它们怎样把合格外延变成合格链路。

读下一份论文或厂商资料时，可以先问三句：图里的硅或蓝宝石，到底处在哪一个工序？最大的带宽与最大的速率，是不是同一个工作点？最后的数据，是否包含了真实键合、散热和接收链？

能回答这三问，衬底选择才从材料标签变成工程判断。

来源与图像边界

P1 B. Pezeshki，2025，GaN Micro-LEDs for Chip-to-Chip Interconnects，CS MANTECH 10A.1。原始会议论文。
P2 P. Le Maitre 等，2024，Short range optical communication with GaN-on-Si microLED and microPD matrices。DOI 10.1002/jsid.2012。
P3 Y. Dai 等，2025，Size-dependent characteristics of GaN-based micro-LEDs for simultaneous display and wireless optical communication，COL 23(8), 082501。正式版本。随文原表取自 Early Posting 版本，已注明版本，不将其冒充排版终稿。
P4 Marvell／Mojo，2026-03-12，联合开发公告，本轮核查 2026-09-19；属于公司陈述。

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