文/Bei Shi，Aeluma公司首席科學(xué)家

圖1：Aeluma 公司的 300mm Ⅲ-Ⅴ族化合物在硅上的沉積（左圖）以及在 300mm硅光子學(xué)上的選擇性區(qū)域異質(zhì)外延（右圖）。（圖片來(lái)源：Aeluma 公司）

人工智能（AI）和高性能計(jì)算（HPC）應(yīng)用的快速發(fā)展，正推動(dòng)著AI基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)高帶寬、低延遲且節(jié)能的光互連前所未有的需求。

這些應(yīng)用需要越來(lái)越具有可擴(kuò)展性且成本效益高的光子解決方案用于數(shù)據(jù)傳輸，因此硅光子學(xué)已經(jīng)成為收發(fā)器和其他光互連功能的關(guān)鍵技術(shù)。包括 Tower Jazz、格羅方德（Global Foundries）、英特爾、臺(tái)積電（TSMC）、三星和意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）在內(nèi)的主要半導(dǎo)體代工廠，都在不斷完善硅光子學(xué)技術(shù)并進(jìn)行市場(chǎng)化推廣，這也證實(shí)了這項(xiàng)技術(shù)作為下一代通信和計(jì)算系統(tǒng)的支柱的重要性。

激光集成的挑戰(zhàn)

盡管硅光子學(xué)取得了巨大進(jìn)展，但是一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)是：高性能激光器和光學(xué)增益的集成。一些鏈路架構(gòu)采用單獨(dú)封裝并通過(guò)光纖耦合到硅光子學(xué)的“遠(yuǎn)程激光器”或許就已經(jīng)足夠了；但是當(dāng)需要將功耗和占用空間降至最低、并最大化性能時(shí)，片上光學(xué)增益就顯得極為有益了。

在追求集成光學(xué)增益的過(guò)程中，有些商用平臺(tái)利用完全制造好的激光器或增益芯片的倒裝芯片鍵合技術(shù)；而另一些平臺(tái)則依賴于晶圓或小芯片的鍵合，然后再進(jìn)行制造。這些方法都會(huì)增加復(fù)雜性和成本，并且在可擴(kuò)展性和可實(shí)現(xiàn)的增益密度（每個(gè)芯片上的增益元件數(shù)量）方面存在限制。

一個(gè)更為精妙的解決方案是在硅上直接外延生長(zhǎng)激光材料，從而能將光學(xué)增益集成到硅光子學(xué)的前端制造工藝中。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）正成為這種方法的領(lǐng)先技術(shù)，因?yàn)樗�提供了可擴(kuò)展性和選擇性區(qū)域生長(zhǎng)能力 —— 即能夠在其他組件之間的圖案化結(jié)構(gòu)內(nèi)，選擇性沉積材料的能力。這種沉積可以采用與“在硅光子學(xué)中為集成光電二極管選擇性沉積鍺”類似的方式進(jìn)行。

MOCVD Vs. MBE：工藝集成和可擴(kuò)展性

從歷史上看，分子束外延（MBE）曾用于合成 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，用于研發(fā)以及小批量生產(chǎn)。MBE 的低產(chǎn)量和高運(yùn)營(yíng)成本，是大規(guī)模制造的主要障礙。相比之下，MOCVD 已經(jīng)成為發(fā)光二極管（LED）、高電子遷移率晶體管（HEMT）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）等技術(shù)大規(guī)模制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。除了可擴(kuò)展性之外，MOCVD 還提供了能夠?qū)崿F(xiàn)工藝集成的選擇性區(qū)域生長(zhǎng)，這一特性對(duì)于硅光子學(xué)而言可能具有重要價(jià)值。

量子點(diǎn)：硅光子學(xué)的理想增益介質(zhì)

對(duì)于片上光學(xué)增益而言，量子點(diǎn)（QD）比傳統(tǒng)的量子阱具有很多顯著優(yōu)勢(shì)。量子點(diǎn)激光器表現(xiàn)出更低的閾值電流、更低的溫度敏感性以及更低的線寬增強(qiáng)因子。最后一個(gè)特性使得量子點(diǎn)激光器特別適合用于窄線寬激光和光梳源應(yīng)用。

量子點(diǎn)與硅光子學(xué)集成的另一個(gè)好處是，量子點(diǎn)光學(xué)增益介質(zhì)對(duì)光的背反射沒(méi)有那么敏感，因此無(wú)需使用光隔離器。量子點(diǎn)對(duì)材料缺陷的耐受性也更強(qiáng)，因?yàn)檩d流子遷移長(zhǎng)度短了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并且離散的量子點(diǎn)分布提供了缺陷捕獲能力。

MOCVD 量子點(diǎn)激光器：制造上的突破

雖然傳統(tǒng)上使用 MBE 來(lái)制造量子點(diǎn)激光器，但是MOCVD 因其可擴(kuò)展性和工藝集成性而更受青睞。美國(guó)半導(dǎo)體公司 Aeluma正通過(guò)選擇性區(qū)域生長(zhǎng)方法，在常用于硅光子學(xué)的 200mm和 300mm襯底上，利用 MOCVD 合成高質(zhì)量的量子點(diǎn)。這種選擇性區(qū)域 MOCVD 生長(zhǎng)方法，避免了與晶圓和小芯片鍵合相關(guān)的挑戰(zhàn)，并為與前端工藝兼容的光學(xué)增益集成提供了一種更直接的解決方案。這種單片集成方法還為設(shè)計(jì)新型激光腔提供了極大的靈活性，并且有助于實(shí)現(xiàn)超高 的增益集成密度。

滿足下一代計(jì)算的需求

MOCVD 生長(zhǎng)量子點(diǎn)激光器的可擴(kuò)展性，或許能夠滿足AI和高性能計(jì)算應(yīng)用對(duì)高帶寬、低延遲且節(jié)能的光互連不斷增長(zhǎng)的需求。現(xiàn)代AI工作負(fù)載需要在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸，這超出了傳統(tǒng)電子互連的能力極限。集成了量子點(diǎn)光學(xué)增益的硅光子學(xué)，為擴(kuò)展光互連技術(shù)以適配下一代系統(tǒng)提供了一條新途徑。