Entwicklung von Wellenleiter-Fotodioden – Die Herausforderung der Geschwindigkeitssteigerung durch Integration mit UTC-PD (Uni-Traveling Carrier Fotodiode)

Neue Technologieentwicklung unterstützt die Weiterentwicklung von Rechenzentren

In den letzten Jahren hat der globale Datenverkehr aufgrund der rasanten Entwicklung der KI-Technologie und der Verbreitung von Video-Streaming-Diensten stark zugenommen. Gleichzeitig ist auch der Stromverbrauch in Rechenzentren gestiegen. Vor diesem Hintergrund werden aus Sicht der nachhaltigen Entwicklungsziele Anstrengungen unternommen, den Stromverbrauch von Rechenzentren zu senken. Gefordert wird ein geringerer Stromverbrauch elektronischer Geräte wie Server und Switches sowie einzelner Module/Geräte wie optischer Transceiver.

In unserem vorherigen Artikel haben wir die Herausforderungen erläutert, mit denen herkömmliche Oberflächen-Photodioden konfrontiert sind, und die grundlegende Struktur von Wellenleiter-Photodioden, die diese Probleme lösen sollen. (Sie können "Wellenleiter Photodiodes: Neue Technologie zur Unterstützung der Rechenzentrumsgeschwindigkeit" hier einsehen.)
In diesem Artikel werden wir die Kombination von Wellenleiter-Fotodioden mit UTC-PD vorstellen, um die Leistung weiter zu verbessern, sowie spezifische Initiativen für die praktische Umsetzung.

Der Anstieg des Datenverkehrs und die Einschränkungen herkömmlicher Fotodioden

Um Ihnen zu helfen, die hervorragenden Eigenschaften von Wellenleiter-Photodioden zu verstehen, lassen Sie uns zunächst die strukturellen Herausforderungen erklären, mit denen herkömmliche Oberflächen-Photodioden konfrontiert waren. Die folgende Abbildung zeigt ein schematisches Diagramm herkömmlicher Oberflächen-Photodioden, die als pn-Typ und Pin-Typ bezeichnet werden.
Bei Oberflächen-Photodioden tritt das Licht von der Oberseite des Bauteils ein und wird von der Lichtabsorptionsschicht absorbiert, wodurch es in elektrischen Strom umgewandelt wird. Um die Effizienz der Lichtumwandlung zu erhöhen, ist die Verdickung der Lichtabsorptionsschicht an der Grenze zwischen der p-Schicht und der n-Schicht wirksam.
Mit zunehmender Verdickung der Schicht nimmt jedoch die Strecke zu, die die Träger (Elektronen und Löcher), die Strom transportieren, zurücklegen müssen. Infolgedessen dauert die Signalverarbeitung länger, was zu einem Kompromiss führt, der die "Bandbreite" reduziert.

Die Bandbreite bezeichnet die Anzahl der optischen Signale, die pro Sekunde verarbeitet werden können. Eine Bandbreite von 1 GHz bedeutet die Fähigkeit, eine Milliarde Signale pro Sekunde zu verarbeiten. Je größer die Bandbreite, desto mehr Informationen können in kürzerer Zeit verarbeitet werden. Da Rechenzentren in naher Zukunft höhere Geschwindigkeiten benötigen, wird erwartet, dass die für clientseitige optische Transceiver erforderlichen Kommunikationsgeschwindigkeiten auf 400G, 800G und weiter auf 1,6T und 3,2T steigen werden.

Herkömmliche Fotodioden standen jedoch vor dem Dilemma, dass "eine Erhöhung der Empfindlichkeit die Geschwindigkeit verringert" und die Leistungsverbesserungen einschränkt. Dieses Problem hat sich in der jüngsten Hochgeschwindigkeitskommunikation, die kleinere Geräte erfordert, verschärft. Dies ist ein Grund, warum neue Technologien (Wellenleiter-Photodioden und UTC-PD) benötigt werden.

Kombination von Wellenleiter-Fotodioden mit UTC-PD

Das wichtigste Merkmal von Wellenleiter-Photodioden ist, dass "die Richtung der Lichtabsorption und die Richtung, in die sich elektrische Träger bewegen, fast senkrecht zueinander stehen". Diese Struktur ermöglicht es, separat zu gestalten, wie viel Licht absorbiert wird (Empfindlichkeit) und wie schnell es verarbeitet werden kann (Bandbreite).

Durch die Kombination der Lichtabsorptionsschicht in Wellenleiterform mit der „Uni-Traveling Carrier Fotodiode (UTC-PD)“-Technologie sind weitere Leistungssteigerungen zu erwarten. Wellenleiter Photodioden erfordern spezielle Techniken zur Einkopplung von Licht in winzige Wellenleiterfacetten, was bei der Entwicklung ein wichtiger technischer Aspekt ist.

Die Herausforderung ultrahoher Geschwindigkeiten durch Kombination mit UTC-PD meistern

Eine weitere Technologie, um die Bandbreite von Wellenleiter-Photodioden weiter zu erhöhen, ist der "Uni-Traveling Carrier Fotodiode (UTC-PD)". Wenn Licht auf einen Halbleiter trifft, erzeugt seine Energie Teilchen mit negativen und positiven Ladungen – Elektronen und Löcher. Durch die Bewegung dieser beiden Teilchen entsteht Strom, der optische Signale in elektrische Signale umwandelt, so funktionieren Photodioden.

In herkömmlichen Pin-Photodioden bewegen sich Elektronen und Löcher auf ähnliche Weise, um Strom zu erzeugen. Dieser Ansatz hat jedoch einen erheblichen Nachteil. Löcher bewegen sich deutlich langsamer als Elektronen; Elektronen können sich mit einer Geschwindigkeit von 100.000 Metern pro Sekunde bewegen, Löcher nur mit weniger als der Hälfte dieser Geschwindigkeit. Diese „langsame Lochbewegung“ stellte eine wesentliche Einschränkung für die Realisierung optischer Hochgeschwindigkeitskommunikation dar. UTC-PD ist eine innovative Technologie, die dieses Problem der „langsamen Löcher“ lösen soll.

Bei UTC-PD besteht die lichtabsorbierende Schicht aus einem P-Typ-Halbleiter. P-Typ-Halbleiter werden hergestellt, indem spezielle Atome (Verunreinigungen) absichtlich in Halbleiter gemischt werden, um absichtlich viele Löcher zu erzeugen. Die Mehrheitsträger, die Löcher, können sich aufgrund eines physikalischen Phänomens, das als "dielektrische Relaxation" bezeichnet wird, als "Gruppe" sehr schnell bewegen. Es ist wie Wassertropfen, die sich nicht einzeln bewegen, sondern sich zu einer Welle zusammenballen und auf einmal fließen. Dadurch wird das Problem der langsamen Lochbewegung beseitigt.

Zusätzlich enthält UTC-PD eine „Trägertransportschicht“ neben der lichtabsorbierenden p-Typ-Halbleiterschicht, die kein Licht absorbiert. Da ausschließlich Elektronen die Hauptrolle spielen, ist es auch möglich, den „Raumladungseffekt“ (ein Phänomen, bei dem das elektrische Feld schwächer wird und die Ausgangsleistung gesättigt wird) zu unterdrücken, der beim gleichzeitigen Vorhandensein von Löchern und Elektronen auftritt. Stellen Sie sich herkömmliche Pin-Photodioden als Autobahn vor, auf der sich schnelle Autos (Elektronen) und langsame Autos (Löcher) die gleiche Spur teilen. Diese Anordnung kann zu Staus und Ineffizienzen führen. Im Gegensatz dazu schafft UTC-PD eine separate Spur für langsame Autos, sodass schnelle Autos reibungslos auf ihrer eigenen Spur fahren können.

Mit diesen strukturellen Innovationen ermöglicht UTC-PD einen Ultra-High-Speed-Betrieb von mehr als 300 GHz und Ausgangsströme, die etwa 10-mal größer sind als bei herkömmlichen Pin-Photodioden. Es wird angenommen, dass durch die Integration der UTC-PD-Technologie in Wellenleiterstrukturen eine Signalumwandlung mit ultrahoher Geschwindigkeit und hoher Kapazität möglich wird, die für die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation der nächsten Generation unerlässlich ist. Um diese Technologie zu kommerzialisieren, müssen jedoch noch einige Herausforderungen gelöst werden, wie z. B. die effiziente Einkopplung von Licht in Feinwellenleiter. Insbesondere die effiziente Leitung von Licht in extrem kleine Halbleiter-Wellenleiter ist ein entscheidender technischer Punkt, und wir wiederholen Versuch und Irrtum, um diese Herausforderung zu lösen.

Optimierung durch Simulation und Verifizierung durch Einsatz moderner Fertigungs- und Evaluierungseinrichtungen

Für die praktische Implementierung von Wellenleiter-Photodioden verwenden wir eine Computeranalyse, die als "TCAD(Technology Computer Aided Design) Simulation" bezeichnet wird, um Designs zu erforschen, die mit den höchsten Geschwindigkeiten arbeiten, indem wir die Bauelementstruktur und die Materialien ändern. Wir führen auch eine "FDTD-Simulation (Finite-Difference Time-Domain) durch", um die Effizienz der Wellenleiterkopplung und die Absorptionsraten der Absorptionsschicht zu untersuchen, mit dem Ziel, die Struktur zu optimieren.

Bei der Entwicklung von Wellenleiter-Photodioden ist neben der simulationsbasierten Optimierung auch eine präzise Steuerung des realen Herstellungsprozesses unerlässlich. In unserem Unternehmen treiben wir die Entwicklung und Serienproduktion mit modernsten Anlagen voran:

• SiO2_-CVD-Anlagen
• Laserzeichengerät
• SiN-CVD-Anlage
• Metall-EB-Abscheidungsausrüstung
• CCP-RIE-Ausrüstung
• Abhebeausrüstung
• ICP-RIE-Ausrüstung

Mithilfe dieser Geräte können wir den Fertigungsprozess präzise steuern, Wellenleiterstrukturen bilden und die Schichtdicke steuern.

Die Herausforderung ultrahoher Geschwindigkeiten durch Kombination mit UTC-PD meistern

Derzeit führt Dexerials Photonics Solutions, eine konsolidierte Tochtergesellschaft von Dexerials, eine Prototypenentwicklung mit dem Ziel durch, Bandbreiteneigenschaften von über 60 GHz und über 100 GHz zu erreichen.

Unsere Entwicklungs-Roadmap zielt darauf ab, die Hohlleiter-Photodiode mit 200 Gbit/s/Spur bis 2026 zu kommerzialisieren. Mit Blick auf das Jahr 2030 planen wir auch die Entwicklung von 400 Gbit/s/Lane-Fotodioden für CPO-Module (Co-Packaged Optics).
Um einen geringeren Stromverbrauch zu erreichen, planen wir außerdem, Lösungen wie die Verwendung optischer Transceiver ohne DSP (wie LPO/LRO), die Umstellung auf Co-Package-Designs (CPO) und die Entwicklung von Laserdioden (LD) und Modulatoren der nächsten Generation zu erforschen.

Durch diese Entwicklungen werden wir bei Dexerials unsere Forschung fortsetzen, um Wellenleiter-Photodioden zu realisieren, die eine optische Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation von 400 Gbit/s auf weitere 1,6 T und 3,2 T ermöglichen.