波導光電二極體的開發——通過與UTC-PD（Uni-Traveling Carrier光電二極體） 集成來提高速度的挑戰

支持數據中心發展的新技術開發

近年來，由於 AI 技術的快速發展和影音流服務的擴展，全球數據流量迅速增加。與此同時，數據中心的功耗也有所增加。考慮到這種情況，從 SDGs 的角度來看，正在努力降低數據中心的功耗，要求數據中心內的電子設備（如伺服器和交換機）以及光收發器等單個模組/設備具有更低的功耗。

在上一篇文章中，我們解釋了傳統表面型光電二極體面臨的挑戰，以及有望解決這些問題的波導光電二極體的基本結構。（您可以在此處查看“波導光電二極管：支持數據中心速度的新技術”。
在本文中，我們將介紹波導光電二極體與UTC-PD的組合，以進一步提高性能，以及實際實施的具體舉措。

數據流量的激增和傳統光電二極體的局限性

為了説明您瞭解波導光電二極體的優異特性，我們首先解釋一下傳統表面型光電二極體面臨的結構挑戰。下圖顯示了稱為 pn 型和 pin 型的傳統表面型光電二極體的示意圖。
在表面型光電二極體中，光從元件的頂部進入並被光吸收層吸收，將其轉化為電流。為了提高光轉換效率，在 p 層和 n 層之間的邊界處加厚光吸收層是有效的。
然而，隨著層的增厚，傳輸電力的載流子（電子和空穴）必須行進的距離會增加。因此，信號處理需要更長的時間，從而導致減少「帶寬」的權衡。

帶寬是指每秒可以處理的光信號數量。1GHz 的頻寬意味著每秒能夠處理10億個信號，頻寬越大，可以在更短的時間內處理的資訊就越多。在不久的將來，由於數據中心需要更高的速度，預計用戶端光收發器所需的通信速度將發展到 400G、800G，並進一步發展到 1.6T 和 3.2T。

然而，傳統光電二極管面臨著“提高靈敏度會降低速度”的困境，限制了性能的改進。在最近需要更小設備的高速通信中，這個問題變得更加嚴重。這就是需要新技術（波導光電二極體和UTC-PD）的原因之一。

將波導光電二極體與UTC-PD相結合

波導光電二極體最顯著的特點是「光吸收方向和電載流子行進的方向幾乎相互垂直」。這種結構可以分別設計吸收多少光（靈敏度）和處理光的速度（頻寬）。

通過將波導形式的光吸收層與“Uni-Traveling Carrier光電二極體（UTC-PD）”技術相結合，可以預期性能的進一步提高。波導光電二極管需要特殊的技術將光耦合到微小的波導面上，這成為開發過程中的一個重要技術點。

通過與UTC-PD組合挑戰超高速化

另一種進一步增加波導光電二極管頻寬的技術是“Uni-Traveling Carrier光電二極體（UTC-PD）”。當光照射到半導體上時，其能量會產生帶負電荷和正電荷的粒子——電子和空穴。這兩個粒子的運動會產生電流，將光信號轉換為電信號，這就是光電二極體的工作原理。

在傳統的針式光電二極體中，電子和空穴都以類似的方式移動以產生電流。但是，這種方法有一個明顯的缺點。空穴的移動速度比電子慢得多;電子可以以每秒 100,000 米的速度移動，而空穴只能以不到該速度的一半移動。這種「慢孔」運動是實現高速光通信的主要制約因素。UTC-PD 是一項創新技術，旨在解決這個“慢孔”問題。

在UTC-PD中，吸光層由 P 型半導體製成。P 型半導體是通過有意將特殊原子（雜質）混合到半導體中，有意產生許多空穴而製成的。由於一種稱為「介電弛豫」的物理現象，大多數載流子（空穴）可以作為一個「組」非常迅速地移動。這就像水滴不是單獨移動的，而是聚集在一起形成波浪並同時流動。這消除了孔移動緩慢的問題。

此外，UTC-PD 在 p 型半導體吸光層旁邊包括一個不吸收光的“載流子傳輸層”。由於只有電子起主要作用，因此也可以抑制空穴和電子共存時發生的「空電荷效應」（電場減弱並輸出飽和的現象）。將傳統的針式光電二極管想像成一條高速公路，快車（電子）和慢車（空穴）共用同一車道。這種設置可能會導致交通擁堵和效率低下。相比之下，UTC-PD 就像為慢速汽車創建一條單獨的車道，讓快車在自己的專用車道上平穩行駛。

憑藉這些結構創新，UTC-PD 實現了超過 300GHz 的超高速運行，輸出電流比傳統引腳光電二極管大約 10 倍。通過將UTC-PD技術與波導結構相結合，相信將實現對下一代高速光通信至關重要的超高速和高容量信號轉換。然而，要將這項技術商業化，仍需要解決一些挑戰，例如將光有效地耦合到細波導中。特別是，如何有效地將光引導到極小的半導體波導中是一個關鍵的技術點，我們正在反覆試驗以解決這一挑戰。

利用模擬的最優化和高度制造·評價設備的實證

為了實現波導光電二極體的實際應用，我們使用稱為“TCAD（Technology Computer Aided Design） simulation”的計算機分析，通過改變器件結構和材料來探索以最高速度運行的設計。我們還進行了 「FDTD（Finite-Difference Time-Domain） simulation“ 來探索波導耦合效率和吸收層吸收率，旨在優化結構。

在開發波導光電二極管時，除了基於仿真的優化外，對實際製造過程的精確控制也是必不可少的。在我們公司，我們正在使用最新的最先進設備推進開發和批量生產。

• SiO ₂-CVD裝置
• 激光繪圖儀
• SiN-CVD裝置
• 金屬EB蒸鍍裝置
• CCP-RIE設備
• 提升裝置
• ICP-RIE設備

使用這些設備進行精確的製造過程控制，我們正在形成波導結構並控制層厚。

通過與UTC-PD組合挑戰超高速化

目前，Dexcerials的合並子公司Dexcerials Photonics Solutions正在進行原型設計，以實現超過60GHz和超過100GHz的帶寬特性。

我們的開發路線圖旨在到 2026 年實現 200Gbps/通道波導光電二極體的商業化。展望 2030 年，我們還設想為 CPO（共封裝光學器件）模塊開發 400Gbps/通道光電二極體。
此外，為了實現更低的功耗，我們計劃探索各種解決方案，例如使用不帶 DSP 的光收發器（如 LPO/LRO），轉向共封裝 （CPO） 設計，以及開發下一代半導體鐳射管 （LD） 和數據器。

通過這些開發，迪睿合將繼續研究實現從400Gbps到1.6T和3.2T的超高速光通信的波導光電二極管。