基于 GaN 的单片光电系统：理论、器件与网络

《Progress in Quantum Electronics》：Monolithic optoelectronic system on GaN: theory, device, and network

　　

摘要

单片光电系统利用光进行片上数据传输，作为提升人工智能 (AI) 芯片计算能力并降低其能耗的核心技术而兴起。氮化镓 (GaN) 材料表现出卓越的光电性能，能够实现发光、调制和探测功能。将电子元件和光子元件单片集成到单个 GaN 芯片上，是开发低功耗、高能效计算架构的关键步骤，并作为在紫外和可见光波段运行的下一代集成光电系统的基础技术。本综述全面概述了近年来基于 GaN 的器件和组件单片集成的最新进展。

引言

在单芯片上集成电子学和光子学引起了越来越大的兴趣，旨在实现低功耗和高能效计算系统。传统上，光子器件的衬底与电子电路采用的衬底大不相同。同时，开发在单芯片上集成电子学和光子学的制造工艺仍然极具挑战性。然而，就片上数据通信的传输速率和功耗而言，使用相同材料在单片光电系统中实现电子和光子功能是非常理想的。通常，硅光子学和基于 InP 的单片集成构成了两大主要光子集成平台，主要在 1310 nm 和 1550 nm 通信波段工作。硅作为互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术的基础材料，能够在单个硅芯片上制造大量晶体管和电子电路。然而，硅不能用于构建激光器，硅光子电路通常依赖于绝缘体上硅 (SOI) 平台 [1]，[2]，[3]，[4]。开发硅上电子 - 光子单片集成的制造工艺仍然是一个重大挑战。InP 材料是另一个成熟的光子集成电路平台 [5]，支持在单芯片上单片集成激光器和光电二极管 (PD)。然而，InP 衬底存在晶圆尺寸小、制造成本高和通量有限的问题。激光器和 PD 需要独立的多量子阱 (MQW) 有源区，导致发射器和接收器具有不同的器件架构。因此，片上光传输沿波导是单向的，这导致光通信网络不可重构。

得益于相同的多量子阱 (MQW) 有源区，基于 GaN 的 MQW 二极管的电致发光 (EL) 光谱与其响应度光谱部分重叠。基于 GaN 的 MQW 二极管，工作在紫外到可见光波段，既可以作为发光二极管 (LED) 工作，又可以执行光探测。这被称为同时发射 - 探测现象 [6]，[7]。这一独特特性赋予了 MQW 二极管在推进单片 GaN 光电系统方面的固有潜力，其中光发射器、波导、调制器和探测器无缝集成到单个 GaN 芯片上 [8]，[9]，[10]，[11]。基于这种双重发光和探测能力，可以通过单个 GaN 波导利用时分复用 (TDM) 方案实现双向数据交换 [12]，[13]。通过单片集成多个此类链路，可以在紧凑的 GaN 芯片上形成可重构的光互连网络，所有通信节点完全映射并以去中心化方式运行 [14]。GaN 上的这种全光通信网络支持片上中继通信服务，并作为下一代集成光子电路系统的基础技术，为片上光通信网络提供强大的技术方案。此外，作为高效的片上信息载体，在 GaN 光子电路上实现的光通信达到了超低功耗。例如，基于 GaN 的光电人工突触可实现每个突触事件最低 7 fJ 的功耗 [15]，这大大优于典型功耗约为每个事件 1 pJ 的纳米膜/MAPbI₃ 人工突触 [16]。GaN 还突出表现为制造金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFETs) [17]、双极型晶体管 (BJTs) [18] 和高电子迁移率晶体管 (HEMTs) [19]，[20]，[21] 的理想电子材料。将电子器件与光子电路集成以在单个 GaN 平台上构建片上光电系统，已成为一个极具吸引力的研究方向。这种集成有望推动光电集成的变革性进展，提升人工智能 (AI) 系统的计算能力，并降低全球各个行业的能耗。在这里，我们对单片 GaN 光电系统的最新研究进展进行了全面概述，适合广泛的科学研究者和工业专业人士。

章节片段

多量子阱二极管发光与探测之间的不可逆性

图 1(a) 显示了蓝宝石衬底上 MQW 二极管的光学显微镜图像。基于 GaN 的 MQW 二极管的带宽特性取决于器件的尺寸 [22]，[23]，微型 MQW 二极管有望平衡光电流和带宽以实现超过 Gbps 的数据速率 [24]，[25]，为实现高速片上光通信开辟了一条充满希望的道路。当光子能量超过

单片 GaN 光子电路

基于 GaN 的 LED 和 PD 通过波导或自由空间光传输进行光耦合，已针对基于纳米线光子学和复杂生长技术的片上光互连进行了广泛研究 [37]，[38]。InGaN/GaN MQW 有源区激发的光可以被捕获为波导模式并向不同方向传播 [39]。需要厚 GaN 外延层来容纳 GaN 和底层之间的热失配和晶格失配

片上全光传感与通信

基于 GaN 的 MQW 二极管在其发射光谱和探测光谱之间表现出固有的重叠，使同一器件结构内能够同时发射和探测光。这种双重功能为单片集成的全光集成传感和通信系统提供了关键的器件基础。单片集成的基于 GaN 的光子芯片可以感知光子集成电路内部和外部的环境变化。Qi 等人集成了

总结与展望

与硅和 InP 光子学相比，单片 GaN 光电系统将光子集成从红外扩展到紫外和可见光波段。表 1 简要比较了硅、InP 和 GaN 光子学。GaN 光子学为单片光电系统提供了独特优势。首先，基于 GaN 的 MQW 二极管通过 MQW 的组分工程实现了宽光谱范围。其次，所有基本光学组件，包括发射器、波导，

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Pengzhan Liu：数据管理。Ziqian Qi：数据管理。Ziqi Ye：数据管理。Kang Fu：数据管理。Jiabin Yan：数据管理。Ziping Cao：数据管理。Fan Shi：数据管理。Yongjin Wang：写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿，资金获取，概念构思。

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作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作共同受到江苏省自然科学基金 (BG2024023)、国家重点研发计划 (2024YFE0204700)、高等教育学科创新项目 (D17018)、江苏省青年科技英才支持计划 (JSAST) (TJ225027) 和江苏省研究生科研与实践创新计划 (KYCX25_1324, KYCX25_1101) 支持。

Pengzhan Liu|Ziqian Qi|Ziqi Ye|Kang Fu|Jiabin Yan|Ziping Cao|Fan Shi|Yongjin Wang