近日，复旦与北大联合团队在光互连领域取得重要进展，研究人员将黄光与红光InGaN Micro LED通过转移印刷工艺集成到金刚石衬底上，在微安级驱动电流下实现了Gbps级别的数据传输速率，为下一代低功耗芯片间光互连提供了新的器件方案。

 

随着人工智能大模型训练和高性能计算需求的爆发式增长，传统铜线电互连在功耗密度和信号串扰方面已逼近物理极限，光互连成为突破瓶颈的关键方向。在众多光源选择中，Micro LED因其无需阈值电流、响应速度快、天然适合2维阵列扩展等优势备受关注。

 

不过，此前高速光互连研究多集中于蓝、绿等短波长Micro LED，长波长的黄光和红光器件受限于高铟含量带来的晶格失配与极化效应，调制带宽长期停留在数百MHz水平，难以满足高速通信需求。

 

研究团队另辟蹊径，针对长波长器件的非辐射复合特性进行主动利用，通过超晶格应变释放层与3周期量子阱的外延设计，在硅衬底上生长出高质量的黄色与红色InGaN外延层。

 

 

长波长硅基Micro LED外延结构设计及金刚石衬底转印Micro LED器件

 

 

金刚石衬底上20微米、40微米黄/红Micro LED的光电特性

 

随后借助PDMS印章转移印刷技术，将单颗Micro LED芯片倒装键合到高热导率的金刚石衬底上，并采用光子光刻工艺在器件表面制备微透镜以收窄发散角、提升光纤耦合效率。

 

测试结果表明，20μm尺寸的黄色Micro LED在电流密度仅6.25A/cm2时，电光带宽可达2850.4MHz；同尺寸红色器件在50A/cm2下也实现了2593.4MHz的带宽。

 

在1m光纤链路中，20μm黄色器件仅需25μA驱动电流即可完成1.5Gbps的开关键控调制，单比特能耗低至0.056pJ/bit，40μm器件在50μA下也能达到同等速率，能耗为0.110pJ/bit。

 

金刚石衬底的引入显著改善了器件的热管理表现。与玻璃衬底对比，相同输入功率下金刚石衬底器件的温升仅为玻璃衬底的2%到8%，有效抑制了热效应对高速性能的劣化。

 

研究团队指出，长波长Micro LED的发光谱与标准硅光电探测器的峰值响应度匹配更佳，有利于降低接收端寄生电容、提升系统响应度，从而在未来与CMOS驱动电路的异质集成中展现出独特优势。

 

这项工作不仅刷新了InGaN基黄光和红光Micro LED的调制带宽与能效纪录，也证明了通过材料应变工程和散热结构优化，长波长Micro LED完全可以在微安级超低功耗条件下支撑Gbps级光互连。随着外延技术的持续进步，这类器件有望在高密度芯片级光互连和人工智能算力集群中扮演关键角色。（LEDinside整理）

 

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