GaN-on-Si 同质收发：为什么会发光的器件，未必接得住自己的光？

MicroLED 光互连 · 技术路线 02。与“GaN 发射器配硅接收器”不同，这一篇研究用同一类 InGaN/GaN 外延同时制作 MicroLED 与微型光电探测器的路线，重点是晶圆集成、光谱匹配和接收带宽。

把一颗发光二极管反向偏置，它有可能成为光电探测器。于是，一个很诱人的设想出现了：同一片外延、同一套工艺，既做发送像素，也做接收像素，再一起集成到 CMOS 上。

省掉一类独立器件之后，阵列似乎更容易做密，收发位置也更容易统一。但“器件能收光”离“接得好”还隔着一个问题：它对哪些波长敏感，而发送端又把光发在哪些波长？

CEA-Leti 在 2024 年的一篇研究中同时给出了集成流程、探测器频响以及发射与接收光谱。把这些证据放在一起，会发现这条路线的核心矛盾：工艺希望收发共用，光电性能却未必允许它们共用同一种最优外延。

1. 先把“同质”说清楚：不是直接在成品 CMOS 上长 GaN

这里的“同质收发”，指发射器与接收器可由同一套 InGaN/GaN 外延制作。它不意味着 GaN 与硅变成同一种材料，也不意味着器件直接在已经完成的 CMOS 电路上高温生长。

CEA 论文的路线是先完成外延，将外延层通过非精确对准的金属–金属键合转移至硅接收晶圆，再定义像素及后续互连。顺序很重要：不是先把每一个像素完整做出，再逐个对准落到驱动节点；而是先把薄膜放上去，再通过光刻决定像素的位置。[1，§3]

这样可以把一部分键合对准压力转移到后续光刻与互连设计中，但精度问题并没有消失。薄膜厚度、应力、晶圆翘曲、像素到金属的套刻、接触质量与热预算仍然需要控制。

论文讨论了做到 2.5 μm pitch 的工艺能力，但这不等于 2.5 μm pitch 的完整高速收发阵列已经验证。驱动器、TIA、光通道隔离和测试接入也必须装进同一面积预算。本文使用的样品外延原本针对显示优化，因此它更适合作为“这套平台还缺什么”的研究，而不是量产通信芯片规格书。

2. 最关键的原图：发射峰与接收窗口没有对上

先看黑线，它给出典型蓝色 MicroLED 的发射光谱，峰值在约 450 nm 附近；这个位置是读图的近似值，不是重新测量。再看蓝色探测曲线：它在较短波长有明显响应，但到了发射峰附近已经很低。论文正文报告，400 nm 处量子效率可以超过 20%，而在同类发光器件的中心波长，探测效率接近可以忽略的水平。[1，§5.2]

这意味着，“400 nm 量子效率不错”和“能高效接收约 450 nm 的蓝色 MicroLED”不是同一个结论。给两条曲线都贴上“蓝光”标签，反而会把问题掩盖掉。

黑线经过归一化，峰值约等于 1，不能与左轴的 20% 直接比较高度。它没有告诉我们发出了多少瓦，只告诉我们光功率在波长上怎样分布。图中标出的响应度 A/W 也对应特定谱点，不能把某个峰值当成整个发射谱上的固定响应度。

为什么同一类量子阱的发射与吸收会错位？

InGaN/GaN 量子阱中的发光与吸收并不是完全镜像。在极性外延中，内建电场会改变能带和电子、空穴波函数的重叠，量子限制斯塔克效应（QCSE）会影响发射能量。注入电流对电场的屏蔽、反向偏压和载流子所处状态又不同，因此不能假设反偏器件的吸收窗口必然对准正偏器件的发射峰。

论文将这类谱线错位与 Stokes shift 联系起来，并利用量子阱吸收模型和 TCAD 去研究成分、厚度及电场的作用。这里的工程结论是针对这类结构：如果希望同一外延兼顾收发，必须证明工作偏置下的谱线重叠，而不能只证明它分别有发光和光电流。 这也不意味着所有 GaN 双功能器件都只能得到同样结果。

3. 不要只报探测器峰值响应度，要计算真正收到的电流

实际接收器面对的是一段光谱。若 Ptx(λ) 是发射光谱功率密度，ηpath(λ) 是从出光参考面到探测器的传输比例，Rpd(λ) 是接收器响应度，则：

Iph = ∫ Ptx(λ) · ηpath(λ) · Rpd(λ) dλ。

Ptx 的单位可以用 W/nm，Rpd 用 A/W，沿波长积分后得到 A。只要所有曲线使用同一波长定义和光功率参考面，这个式子就能把外延、耦合和接收端连起来。

相比单独追求一个高峰值，更值得关心的是谱加权响应度：

Reff = ∫ Srx(λ) · Rpd(λ) dλ，且 ∫ Srx(λ)dλ = 1。

这里 Srx 是到达探测器的归一化光谱。这样即使发射峰随电流或温度移动，也能重新计算真正可用的接收响应。

一个只用于理解量级的例子：假设到达探测器的窄带光为 450 nm、10 μW，且没有内部增益。由 R = QE·qλ/(hc) 可得：量子效率为 1% 时，响应度约 0.00363 A/W，光电流约 36.3 nA；量子效率为 10% 时，则约为 363 nA。这两个 QE 是本文设置的假设，不是从原图抽取的两组实验结果。

光纤里传来相同功率，只因谱匹配和吸收效率不同，TIA 面对的信号电流就可能相差一个数量级。但 BER 不会因此必然改善十倍：热噪声、暗电流、散粒噪声、带宽、码间干扰和判决电路都会参与结果。需要把 Reff 与实际接收噪声和频响一起测。

4. 调外延、调光学腔，还是换探测器？

图 25 的绿色曲线提供了一条思路：使用原本为更长波长发射优化的外延来做探测器，让它与蓝色发射光谱有更好的重叠。但这样做，可能就不再能把收发双方全部放在同一套最优外延上。工艺统一与器件独立优化之间，需要重新取舍。

另一条路径是利用器件内部的光学干涉增强目标波段吸收。

模型中加入光学腔效应后，响应度出现明显波峰，部分波段的吸收得到增强。这里的“腔”不是把器件变成激光器，而是层间反射和干涉改变了有源区域的光场分布。作者在这一模型中报告最高约三倍的吸收增强；这是结构和波长相关的仿真结果，不是所有波段都提高三倍。

B 图对模型与实测作了比较，但模型参数还经过层厚、极化和铟组分调整。因此它支持“这些机制能解释观测到的谱形”，不等于证明模型已经能无校准地预测另一个批次。

腔增强的代价，是最佳响应可能变得依赖层厚与波长。论文还观察到，同一晶圆上两个样品的响应峰有差别，并将其与 n-GaN 厚度和光学腔高度变化联系起来。对一条真实链路，应该评估厚度分布与发射峰漂移后的 Reff，而不只比较室温下对得最齐的两个峰。

改进方向	主要解决什么	新增约束
共用外延，调整量子阱成分、厚度和电场	尽量保持统一工艺并改善谱匹配	发射效率、复合速度、吸收效率可能相互牵制
发射与探测分别优化外延	各自选择更合适的工作窗口	增加工艺组合、转移或键合步骤及测试管理
设计光学腔	提升目标波段附近的吸收	厚度、温度及发射谱漂移可能影响收益
采用独立硅探测器	不再要求 GaN 发光外延兼顾探测	需要另一种器件及其集成；仍要解决电容、噪声、隔离和功耗

这四条路径没有脱离场景的排名。如果目标是尽量统一晶圆流程，第一条值得探索；如果更看重接收裕量，接受分开优化可能更合适。决定依据应是同样有效吞吐、功耗与环境范围内的链路结果。

5. 光谱对上之后，接收器够快吗？

较小器件在更高反偏下获得较大带宽，与电容限制的解释相符。缩小面积有利于降低结电容；调整反偏会改变耗尽区、电场和载流子收集。但“做小就好”又会碰到另一组约束：接收面积变小，光斑和装配偏移就更容易影响耦合，接触及布线寄生也不会自动归零。

读这组数据时，有三条边界不能丢：

• 激励波长是 405 nm。它不能直接替代图 25 中约 450 nm 发射谱下的光电流与高速性能。
• 原文描述的激光测试源带宽约为 1 GHz，接收放大器带宽为 1.2 GHz。实测链路有仪器限制，不能把测量上限当成器件的无限带宽证明。
• 另一个 36 μm 方形 microPD 在反偏 6 V 下显示最高 1 Gb/s 的开眼图，但那不是 D10 样品，也不是全阵列 BER 认证。开眼图不能替代长期误码统计。

带宽、QE 和眼图分别测得，并不意味着已经证明同一组收发器在同一偏置、温度和光路下完成了目标通信。最后仍需要真正连接发送器和接收器，把这三组结果放到同一次实验里。

6. 这条路线最值得补的不是一个“纪录”，而是一张匹配矩阵

可以建立以下验证顺序，每一步都保留通道与样品身份，不把不同样品的最好结果拼在一起。

验证步骤	固定／扫描变量	输出与判断
发射谱标定	LED 电流、温度、芯片位置	绝对光谱功率、峰位、谱宽及分布
接收谱标定	PD 偏压、温度、晶圆位置	R(λ)、暗电流、Reff；不是只留最高 QE
RF 与电容诊断	尺寸、偏压、光功率；去除夹具影响	频响、输入电容和噪声，识别接收限制
实际器件配对	固定真实 LED、PD、距离与耦合结构	BER、有效吞吐和完整功耗；与谱积分预测核对
稳定性验证	温度循环、批次、装配偏移、邻道开启	最差通道裕量、失效分布和可恢复性

这一方法还能区分两种表面上相似的故障：光电流偏小，可能是光没有耦合过来，也可能是光已经到了，但探测器在该波长不敏感。先用已标定功率计核对接收参考面的入射功率，再结合 R(λ) 计算预期光电流，就能避免把所有问题都推给“对准不好”。

对想深入这个方向的人，谱线匹配、偏压—带宽—噪声的联合表征、晶圆层厚与链路裕量的关联，都是能做成具体技术作品的切口。它们不需要夸大某条路线已经胜出，而是提供一种判断：设计改动究竟增加了多少真正可用的通信余量。

与上一篇的异质集成路线相比，这条路线把更多复杂性放在外延与接收器共同设计中。前者需要把分开的好器件有效地集成起来；后者则要先证明，同一工艺平台上的收与发能够彼此匹配。“能做在一起”和“适合一起工作”，是两道需要分别回答的问题。

来源与适用边界

Le Maitre, P. 等，Short range optical communication with GaN-on-Si microLED and microPD matrices，Journal of the Society for Information Display，2024，32(12)，797–814，DOI 10.1002/jsid.2012。出版页面；HAL 存档 cea-04768418v1。本地版本带一页 HAL 封面，因此 PDF 页码比文内印刷页码大 1。

核对日期：2026-09-17。图表来源 © 2024 The Author(s)，原论文由 Wiley Periodicals LLC 代表 Society for Information Display 出版，并标注 CC BY-NC-ND 4.0。本文仅引用直接分析所需的图表；图内数据、英文图注未修改，中文评论单独呈现。文章不代表原作者或机构的意见，也不向读者授予超出原许可或适用引用规则的复用权利。