全GaN單片集成取得突破：邁向“顯示+通信+感知”三合一芯片

隨著Micro LED技術(shù)不斷向AR/VR、智能穿戴和可見光通信（VLC）等領(lǐng)域拓展，如何在有限的芯片面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯示、通信與感知功能的深度融合，成為業(yè)界關(guān)注的重要方向。

近日，山東大學(xué)研究人員提出了一種全新的全氮化鎵（All-GaN）單片集成方案，在同一塊GaN芯片上集成了2T1C像素驅(qū)動電路、Micro LED（μLED）以及光電探測器（PD），為下一代智能顯示終端提供了一種高度集成的新思路。

圖（a）示意圖、（b）等效電路圖以及（c）單片集成全GaN 2T1C-μLED–PDs的顯微圖像。

研究團(tuán)隊(duì)指出，該方案首次將主動矩陣（AM）顯示中廣泛采用的2T1C（兩晶體管一電容）像素架構(gòu)與μLED、光電探測器集成于同一GaN平臺，使每一個像素不僅能夠完成圖像顯示，還具備光信號發(fā)送和接收能力，相當(dāng)于每個像素都成為一個微型光通信節(jié)點(diǎn)，為顯示、感知和通信一體化奠定了基礎(chǔ)。

與目前Micro LED產(chǎn)業(yè)普遍采用硅CMOS背板或薄膜晶體管（TFT）背板，通過轉(zhuǎn)移鍵合完成集成的方案相比，這種單片集成方式避免了芯片轉(zhuǎn)移、對位和封裝過程中容易出現(xiàn)的熱失配、對準(zhǔn)誤差以及寄生效應(yīng)等問題，不僅提升了系統(tǒng)可靠性，也更有利于高速信號傳輸和大規(guī)模制造。

在器件設(shè)計(jì)方面，研究人員制備的單個像素單元包括兩個20μm×20μm高電子遷移率晶體管（HEMT）、一個40μm×40μm Micro LED、一個40μm×40μm光電探測器以及一個存儲電容。其中，LED與光電探測器之間僅相隔30μm，所有功能器件均位于微米尺度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了極為緊湊的布局，無需額外光學(xué)元件即可完成近距離光信號收發(fā)。

整個器件采用4英寸GaN外延片作為基礎(chǔ)，通過MOCVD生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，再結(jié)合ICP刻蝕、MOCVD再生長、PECVD沉積SiO?介質(zhì)層等成熟半導(dǎo)體工藝完成制造。器件采用ITO透明導(dǎo)電層實(shí)現(xiàn)電流擴(kuò)展，并利用SiO?同時承擔(dān)器件鈍化和電容介質(zhì)功能，使整個制造流程兼容現(xiàn)有GaN器件工藝，為未來產(chǎn)業(yè)化提供了可行路徑。

測試結(jié)果顯示，該集成電路具有良好的動態(tài)響應(yīng)能力。在5kHz驅(qū)動頻率下，像素節(jié)點(diǎn)電壓能夠與輸入數(shù)據(jù)信號保持穩(wěn)定同步，Micro LED發(fā)光與光電探測器檢測可協(xié)同工作，驗(yàn)證了該單片集成系統(tǒng)能夠同時完成發(fā)光與光信號探測，為顯示刷新和可見光通信提供了基礎(chǔ)支撐。

研究人員進(jìn)一步展望，在未來智能眼鏡、AR/VR頭顯、可穿戴設(shè)備等應(yīng)用中，顯示數(shù)據(jù)線上可以疊加高速調(diào)制信號，而不會影響顯示亮度。此時，Micro LED既承擔(dān)顯示像素的作用，又可作為光發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)；鄰近的光電探測器則負(fù)責(zé)接收外部光信號，使顯示屏本身成為一個具備雙向通信能力的交互平臺。

總體來看，這項(xiàng)工作不僅展示了GaN平臺在高密度光電集成方面的優(yōu)勢，也進(jìn)一步拓展了Micro LED的應(yīng)用邊界。隨著全GaN單片集成技術(shù)不斷成熟，未來有望推動高分辨率Micro LED顯示向顯示、通信、感知三位一體方向發(fā)展，為智能終端、可見光通信及新型人機(jī)交互系統(tǒng)提供更加緊湊、高效的解決方案。