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由于热约束限制，无法在CMOS电路上直接生长氮化镓，因此将氮化镓微型LED集成到硅基底上存在独特挑战。CEA-LETI团队开发了一种在二百毫米晶圆上运行的精密晶圆键合工艺，与标准ASIC制造兼容。该工艺从在硅上生长的外延氮化镓晶圆开始，通过金属-金属键合将其转移到标准硅基底上，无需晶圆之间的精确对准。

图2：在标准200毫米硅100晶圆上报告的200毫米氮化镓-硅集成工艺流程

晶圆键合后，通过刻蚀LED台面来定义各个发光区域。沉积介电钝化层以最小化表面缺陷和相关的非辐射复合，否则会降低器件效率。然后在每个微型LED周围沉积铝镜以增强光提取。平坦化后，为n型和p型氮化镓接触创建开口，并用三百纳米厚的铝覆盖以形成金属布线和测试焊盘。这种集成方法产生独特的配置，氮化镓的氮极性面向上，与传统集成相反。

图3：(A) 200毫米硅基氮化镓微型LED横截面；(B) 带有G-S-G电气接入的1.5微米微型LED

基于微型LED的通信中每比特功耗直接取决于微型LED电流密度、器件表面积和选定的数据速率。对于具有两个电平的简单开关键控调制，最大可达数据速率约等于光学三分贝带宽的两倍。实验测量表明，微型LED带宽几乎与电流密度呈线性增长，说明更高的电流密度可实现更大的带宽。但这种关系涉及重要的权衡。

在更高电流密度下工作需要增加偏置电压，最终受到电子驱动电路和器件可承受的最大电场的限制。LED中的载流子复合机制根据电流密度在不同区域之间转换。在低电流时，由于缺陷和表面态，肖克利-里德-霍尔复合占主导地位。在中等电流时，辐射复合变得最有效，代表发光效率的最佳工作区域。在非常高的电流下，俄歇复合增加，再次降低效率。

图4：基于9平方微米LED的实验数据，针对三种不同数据速率的电流密度函数的理论能效估算

该图基于九平方微米LED的实验测量结果，呈现了三种不同数据速率下电流密度函数的理论能效计算。图中包含指示不同复合机制占主导地位的区域，显示在每秒一千兆比特时达到低于皮焦耳每比特的效率，需要微型LED在每平方厘米四百安培的电流密度下维持五百兆赫兹带宽。

将光从空间和时间非相干的微型LED光源耦合到波导或光纤中存在基本挑战，这些挑战根植于关于辐射守恒的热力学原理。与相干激光源不同，微型LED以多个方向发射光，具有随机相位关系，无论采用何种光学系统，都难以实现高效耦合。

对于通过片上波导的超短距离通信，研究团队探索了专门的器件结构以增强横向光发射。使用三维有限差分时域仿真，建模了位于抛物面镜焦点处的微型LED耦合到单模波导中。仿真显示平均传输效率为百分之十二点五，与偶极取向有强烈依赖关系，一个取向产生百分之二十，另一个产生百分之五。

对于跨越厘米到米的中程通信，多芯光纤束提供了实用解决方案。这些成像光纤束最初为内窥镜检查开发，可在一平方毫米面积内包含多达一万六千个直径四点四微米的纤芯，以七点四微米六角间距排列。微型LED和多模光纤之间的耦合效率取决于发射方向性图案和光纤的数值孔径。

图5：(A) 25微米微型LED发射图的实验测量，拟合到方向性因子为3.27的亚朗伯分布曲线；(B) 不同方向性的微型LED与光纤之间的耦合比，作为光纤数值孔径(NA)的函数

图中A部分显示了二十五微米微型LED的实验发射图案测量结果，拟合到方向性因子为三点二七的亚朗伯分布。B部分绘制了不同数值孔径光纤与具有不同方向性因子的微型LED之间的耦合比，显示根据器件特性，效率范围从百分之四点八到百分之三十六。

使用相同的外延结构进行发射和探测具有集成优势，但由于发射和吸收之间的光谱不匹配而带来挑战。在c面生长的氮化镓结构中，量子限制斯塔克效应产生内部电场，使发射波长相对于吸收边缘红移，这种现象称为斯托克斯位移。这种不匹配降低了在峰值发射波长处光电探测的量子效率。

为了理解和优化光电探测器性能，研究团队采用了综合建模，结合Nextnano++用于量子阱吸收特性，ATLAS器件模拟器用于完整的三维器件行为。Nextnano仿真揭示了吸收系数曲线如何像阶梯图案一样演变，由量子阱中量子化的电子和空穴态控制。增加铟组分将吸收向更长波长移动，而施加反向偏压部分补偿内部电场，在第一吸收阶跃中产生蓝移和幅度增加。

图6：(A) 位于氮化镓pin结中间的3纳米单个铟镓氮量子阱吸收系数示例，作为入射光波长的函数绘制。蓝色和红色曲线对应不同的量子阱铟组分，每种颜色的六条曲线对应施加在结上的反向偏压：0、1、2、3、4、-5伏，遵循箭头方向。(B) Silvaco在-1伏下模拟的量子阱中光吸收率放大图，照明波长λ=415纳米，功率10毫瓦每平方厘米

完整的器件仿真结合了传输矩阵方法来模拟由分层结构产生的光学腔效应。这些干涉效应显著影响响应度，使吸收增加多达三倍，并在可通过调整腔层厚度来调谐的波长处产生响应度峰值。光谱量子效率的实验测量证实了这些预测，针对蓝光发射优化的器件在四百纳米处显示峰值效率超过百分之二十，但由于斯托克斯位移，在发射波长中心的响应可忽略不计。

图7：(A) 有和没有光学腔效应的微型光电探测器响应度仿真(L=50微米，V=-1伏，P=10毫瓦每平方厘米)。(B) 微型光电探测器的实验和仿真响应度(L=50微米，V=-1伏，P=10毫瓦每平方厘米)

该图将仿真预测与实验测量进行比较。A部分显示有和没有光学腔效应的仿真响应度，展示了干涉提供的显著增强。B部分叠加了五十微米直径器件在负一伏偏压下的实验和仿真响应度曲线，在响应度峰值的幅度和光谱位置上都显示出良好的一致性。

研究团队开发了全面的表征能力，以评估直径从一点二五微米到一百微米的器件尺寸范围内的发射和探测性能。S参数测量量化了频率响应，显示带宽在所有器件尺寸上几乎与电流密度呈线性增长。小信号建模确定复合寿命是主要的带宽限制因素，而不是电阻-电容时间常数，指出外延优化是关键改进路径。

图8：直径从3微米到100微米的微型LED以及宽度为12.5微米的方形器件，带宽作为电流密度的函数

该图绘制了直径从三微米到一百微米的圆形微型LED以及十二点五微米方形器件的测量带宽与电流密度的关系。所有器件显示出类似的带宽随电流密度增加的趋势，在每平方厘米千安培电流密度下达到数百兆赫兹。

眼图测量展示了使用非归零开关键控调制在高达每秒一千兆比特的速率下成功数据传输。最佳结果来自直径二十五微米的器件，受益于与五十欧姆测量系统更好的阻抗匹配以及由于更大光功率而产生的更高信噪比。较小器件表现出与接触面积成反比的更高接触电阻，突出了器件尺寸、光功率和高频性能之间的关键权衡。

图9：使用AWG生成的700毫伏峰峰值数字信号进行OOK NRZ调制的眼图测量。a、b和c是在电流密度为4.4千安每平方厘米和电压为6伏的12微米宽度微型LED上测量的眼图。d)是在电流密度为500安每平方厘米、电压为6伏的25微米直径微型LED上测量的

该图显示了在不同数据速率下测量的眼图。A到C部分显示了宽度十二微米的微型LED在每平方厘米四千四百安培电流密度下分别在每秒一百兆比特、每秒二百兆比特和每秒五百兆比特工作的结果。D部分显示直径二十五微米的微型LED在每平方厘米五百安培下实现每秒一千兆比特，展示了适合可靠数据传输的清晰眼图开度。

对于接收表征，团队测量了在反向偏压下作为光电探测器工作的器件的S参数，使用四百零五纳米激光二极管作为光源。带宽测量显示电容是光电探测的主要限制因素，较小器件由于电容降低而实现更高带宽。直径十微米的光电探测器在六伏反向偏压下达到六百兆赫兹带宽。眼图测量确认了在每秒一千兆比特下的成功接收，验证了使用相同器件结构进行发射和接收的可行性。

这项研究确立了氮化镓微型LED和微型光电探测器矩阵作为下一代短距离光互连的可行候选技术。该技术通过大规模并行化实现高数据速率密度，同时保持与标准半导体制造工艺的兼容性，具有独特优势。未来优化重点是外延结构设计，以在较低电流密度下增强带宽并改善发射和探测之间的光谱匹配，有望进一步提高系统能效和性能，可能为高性能计算和人工智能系统架构带来新的发展方向。