microLED ，让AI起飞

千禧年之交，许多人购买了人生中的第一部手机，这一消费从两个方面推动了我们行业的收入增长。一方面，手机的销售催生了LED的首个“杀手级”应用——用于手机显示屏和键盘的背光照明；另一方面，由于GaAs HBT和pHEMT被应用于射频放大器和开关等领域，它们的销售额也随之飙升。

自那以后，化合物半导体行业再也没有出现过像人工智能这样，为不止一种器件类别带来数十亿美元销售额的应用。但这种情况可能会改变，这要归功于人工智能，它正推动数据中心的快速发展。许多宽禁带功率器件制造商表示，他们的目标是抓住数据中心增长的机遇——他们致力于争取分立元件和模块的合同，这些元件和模块用于电力基础设施，兼具卓越的效率和高功率密度处理能力。此外，光电子领域也蕴藏着机遇，例如能够构建短距离光链路的光源和探测器，这些链路可以克服数据传输瓶颈，同时最大限度地降低每比特能耗。

一项为期三年的项目将于今年一月启动，重点关注后者。该项目由法国原子能委员会-莱蒂（CEA-Leti）牵头，旨在推动由硅基氮化镓微型LED阵列、具有相对较宽纤芯的光纤和光电探测器组成的光链路的开发。该项目计划汇集供应链中的所有关键参与者，包括微型LED、光纤、光电二极管和互连器件的制造商，以及芯片制造商、系统集成商和超大规模数据中心运营商。

基于微型LED的数据链路工作原理 来源：Patrick Le Maitre，CEA

据CEA-Leti合作项目发言人Jankus Vygintas介绍，这项为期三年的项目被称为“多边微型LED数据链路计划”。他表示，所提出的光链路可用于在同一电路板上的芯片之间，或在不同电路板上的芯片之间传输数据。芯片间的数据传输甚至可以在服务器之间或机架之间进行，因为该技术对于10厘米至10米的链路具有极大的吸引力。

需要注意的是，维金塔斯并非建议在数据中心完全淘汰铜线，他认为铜线在几厘米的短距离传输中是最佳选择。但这应该是传输距离的上限，因为铜线越长，能耗就越高。

鉴于 VCSEL 在数据通信领域取得的成功，它们也是芯片间链路的另一种候选方案。

“对于可插拔设备等长距离链路来说，这可能是发展最成熟的技术，”Vygintas 声称，他解释说，从成本和效率的角度来看，这种表面发射激光器可以被视为短距离链路的“法拉利”。

该项目的起点是法国原子能委员会莱蒂研究所（CEA-Leti）在微型LED领域开展的大量研究工作，这些工作已获得约100项专利。这家著名的法国研究机构至少从2015年就开始研发微型LED，大约六年前，他们开始致力于这些器件的调制研究，最初是为了评估它们作为LiFi光源的潜力。

最近，研究重点转移到将微型 LED 的发射光耦合到光纤中，并评估一个关键指标，即每比特皮焦耳数。

“如今，我们每比特的能耗大约是 5 皮焦耳，”维金塔斯透露，他还补充说，该项目的主要目标是将这一关键数字削减到每比特 0.5 皮焦耳。

“另一个目标当然是数据密度。从长远来看，我们的目标是达到每毫米每秒10太比特。”

在CEA-Leti的11000平方米洁净室中，研究人员开发了一种在200毫米基板上生产GaN-on-Silicon LED的工艺。不过需要注意的是，该工艺可以扩展到300毫米。

该团队已将微型LED的尺寸缩小到仅几微米——这种尺寸非常适合增强现实应用，但这种小型化程度也带来了一些问题，例如发光体边缘的猝灭现象。对于短距离数据链路，Vygintas建议使用尺寸约为10微米的微型LED，并将发射光耦合到纤芯直径约为50微米的光纤中。

“我们研究的是蓝色光发射，但原则上，绿色或红色光发射也是可能的，”维金塔斯说。

图示为一个直径约为300微米的微型LED阵列。版权所有：CEA-Leti，Patrick Le Maitre。

乍一看，将发射波长延长似乎会造成不利影响，因为量子阱中铟含量的增加会导致效率下降。然而，这种观点忽略了问题的本质。因为还有许多其他因素在起作用，例如调制带宽、光纤耦合和损耗以及探测器的效率——所有这些因素都会影响关键指标。

对于数据链路，微型 LED 阵列发出的光耦合到光纤束中，这项技术已经应用于医疗成像领域。

“我们正在测试各种类型的纤维，包括塑料纤维，”维金塔斯透露。“一些制造商提供玻璃多芯纤维。”

将微型 LED 阵列与光纤束相结合的一个关键优势是系统级的内置冗余。

“VCSEL必须精确对准，但就我们而言，我们可以承受一定的损耗，”Vygintas解释道。他表示，CEA-Leti团队与硅光子学行业的合作伙伴共同完成这项任务，这些合作伙伴负责制造对准和连接工具。这些合作伙伴可以利用他们的技术将光纤连接到微型LED上。

Vygintas认为，更优的方案是改进微型LED的设计，使其包含一个谐振腔，从而产生适合耦合到光纤中的发射光谱。这种器件需要引入由介电材料制成的布拉格反射镜。

位于光纤另一端的探测器可选方案之一是硅基二极管，这是一种成熟的器件；另一个方案是氮化镓光电探测器。虽然后者目前性能稍逊，但其响应度尚可，且能简化器件集成。为了提升器件性能，CEA Leti 团队正致力于优化用于生产这些器件的外延工艺。

由于采用了硅基器件制造技术，这些微型LED的驱动器可以通过键合方式添加到背板上。过去四年里，Vygintas及其同事在比较各种调制方案时一直采用这种方法。虽然更复杂的方案可能更有前景，但该团队最终得出结论：最佳方案是简化放大和光电探测的基本开关调制方案。

“它也应该更高效，因为更高的调制会消耗更多能量，”维金塔斯补充道。

他认为，CEA-Leti作为一家研究机构，拥有得天独厚的优势，能够培育一个用于生产基于microLED的短距离光链路的生态系统。未来三年，他们将汇聚来自世界各地照明、半导体和光纤行业的从业人员。其中一些公司已经加入——但由于保密协议，它们的名称无法透露——预计未来还会有更多公司加入。

“我们在整个生态系统中占据着非常特殊的地位，能够提供原型产品。我们愿意与所有人进行讨论，”维金塔斯说道。

通过采取这种合作立场，CEA-Leti 为微型 LED 提供了一个绝佳的机会，使其找到第一个杀手级应用，并提高未来数据中心中化合物半导体的含量。