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）。（圖片來源：Aeluma 公司）

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

這些應(yīng)用需要越來越具有可擴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)并進行市場化推廣，這也證實了這項技術(shù)作為下一代通信和計算系統(tǒng)的支柱的重要性。

激光集成的挑戰(zhàn)

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

在追求集成光學(xué)增益的過程中，有些商用平臺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)；而另一些平臺則依賴于晶圓或小芯片的鍵合，然后再進行制造。這些方法都會增加復(fù)雜性和成本，并且在可擴展性和可實現(xiàn)的增益密度（每個芯片上的增益元件數(shù)量）方面存在限制。

一個更為精妙的解決方案是在硅上直接外延生長激光材料，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。金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）正成為這種方法的領(lǐng)先技術(shù)，因為它提供了可擴展性和選擇性區(qū)域生長能力 —— 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”類似的方式進行。

MOCVD Vs. MBE：工藝集成和可擴展性

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)量和高運營成本，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)標準。除了可擴展性之外，MOCVD 還提供了能夠?qū)崿F(xiàn)工藝集成的選擇性區(qū)域生長，這一特性對于硅光子學(xué)而言可能具有重要價值。

量子點：硅光子學(xué)的理想增益介質(zhì)

對于片上光學(xué)增益而言，量子點（QD）比傳統(tǒng)的量子阱具有很多顯著優(yōu)勢。量子點激光器表現(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因子。最后一個特性使得量子點激光器特別適合用于窄線寬激光和光梳源應(yīng)用。

量子點與硅光子學(xué)集成的另一個好處是，量子點光學(xué)增益介質(zhì)對光的背反射沒有那么敏感，因此無需使用光隔離器。量子點對材料缺陷的耐受性也更強，因為載流子遷移長度短了一個數(shù)量級以上，并且離散的量子點分布提供了缺陷捕獲能力。

MOCVD 量子點激光器：制造上的突破

雖然傳統(tǒng)上使用 MBE 來制造量子點激光器，但是MOCVD 因其可擴展性和工藝集成性而更受青睞。美國半導(dǎo)體公司 Aeluma正通過選擇性區(qū)域生長方法，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。這種選擇性區(qū)域 MOCVD 生長方法，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)計新型激光腔提供了極大的靈活性，并且有助于實現(xiàn)超高 的增益集成密度。

滿足下一代計算的需求

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