全GaN单片集成取得突破：迈向“显示+通信+感知”三合一芯片

随着Micro LED技术不断向AR/VR、智能穿戴和可见光通信（VLC）等领域拓展，如何在有限的芯片面积内实现显示、通信与感知功能的深度融合，成为业界关注的重要方向。

近日，山东大学研究人员提出了一种全新的全氮化镓（All-GaN）单片集成方案，在同一块GaN芯片上集成了2T1C像素驱动电路、Micro LED（μLED）以及光电探测器（PD），为下一代智能显示终端提供了一种高度集成的新思路。

图（a）示意图、（b）等效电路图以及（c）单片集成全GaN 2T1C-μLED–PDs的显微图像。

研究团队指出，该方案首次将主动矩阵（AM）显示中广泛采用的2T1C（两晶体管一电容）像素架构与μLED、光电探测器集成于同一GaN平台，使每一个像素不仅能够完成图像显示，还具备光信号发送和接收能力，相当于每个像素都成为一个微型光通信节点，为显示、感知和通信一体化奠定了基础。

与目前Micro LED产业普遍采用硅CMOS背板或薄膜晶体管（TFT）背板，通过转移键合完成集成的方案相比，这种单片集成方式避免了芯片转移、对位和封装过程中容易出现的热失配、对准误差以及寄生效应等问题，不仅提升了系统可靠性，也更有利于高速信号传输和大规模制造。

在器件设计方面，研究人员制备的单个像素单元包括两个20μm×20μm高电子迁移率晶体管（HEMT）、一个40μm×40μm Micro LED、一个40μm×40μm光电探测器以及一个存储电容。其中，LED与光电探测器之间仅相隔30μm，所有功能器件均位于微米尺度范围内，实现了极为紧凑的布局，无需额外光学元件即可完成近距离光信号收发。

整个器件采用4英寸GaN外延片作为基础，通过MOCVD生长AlGaN/GaN异质结构，再结合ICP刻蚀、MOCVD再生长、PECVD沉积SiO₂介质层等成熟半导体工艺完成制造。器件采用ITO透明导电层实现电流扩展，并利用SiO₂同时承担器件钝化和电容介质功能，使整个制造流程兼容现有GaN器件工艺，为未来产业化提供了可行路径。

测试结果显示，该集成电路具有良好的动态响应能力。在5kHz驱动频率下，像素节点电压能够与输入数据信号保持稳定同步，Micro LED发光与光电探测器检测可协同工作，验证了该单片集成系统能够同时完成发光与光信号探测，为显示刷新和可见光通信提供了基础支撑。

研究人员进一步展望，在未来智能眼镜、AR/VR头显、可穿戴设备等应用中，显示数据线上可以叠加高速调制信号，而不会影响显示亮度。此时，Micro LED既承担显示像素的作用，又可作为光发射器发送数据；邻近的光电探测器则负责接收外部光信号，使显示屏本身成为一个具备双向通信能力的交互平台。

总体来看，这项工作不仅展示了GaN平台在高密度光电集成方面的优势，也进一步拓展了Micro LED的应用边界。随着全GaN单片集成技术不断成熟，未来有望推动高分辨率Micro LED显示向显示、通信、感知三位一体方向发展，为智能终端、可见光通信及新型人机交互系统提供更加紧凑、高效的解决方案。

来源：DT半导体

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