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    [分享]Ansys Lumerical | 單行載流子光電探測器仿真方法 [復(fù)制鏈接]

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    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2023-05-09
    綜述 \+mc   
    5QU7!jb I  
    在本例中，我們將研究混合硅基光電探測器的各項性能。單行載流子（uni-traveling carrier，UTC）光電探測器（PD）由InP/InGaAs制成，其通過漸變耦合的方式與硅波導(dǎo)相連。在本次仿真中，F(xiàn)DTD模塊將分析光電探測器的光學(xué)響應(yīng)，CHARGE模塊將分析器件的電學(xué)特性。 P ?dE\Po7  
    ~p{.4n2:  
    l|[cA}HtB  
    |HXI4 MU"  
    背景 \3(d$_:b  
    0"$Ui#r`  
    光電探測器的主要作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，以解碼出加載到光信道上編碼的信息。因此我們可以使用Lumerical的光學(xué)和電學(xué)求解器對此類器件進行精確模擬和優(yōu)化。首先采用時域有限差分（FDTD）方法模擬了光電探測器的光學(xué)特性，計算光學(xué)吸收功率可以得出電子-空穴對的局部產(chǎn)生率。然后，將光學(xué)仿真求得的電子空穴對產(chǎn)生速率導(dǎo)入電學(xué)仿真（CHARGE）中用于求解的連續(xù)性方程。 T_O\L[]p*  
    2~+_T  
    對于高速光電二極管，通過將吸收層與收集層解耦，可以使用單行載流子（UTC）設(shè)計來優(yōu)化渡越時間響應(yīng)[1]。在傳統(tǒng)的PIN結(jié)構(gòu)中，載流子是在本征區(qū)中光生的，在本征區(qū)中，強場將載流子分離以產(chǎn)生光電流。載流子的速度通常是有限的，并且在大多數(shù)常見的材料（如鍺）中空穴比電子慢，這會導(dǎo)致延遲和不對稱響應(yīng)。通過結(jié)合窄帶隙和寬帶隙半導(dǎo)體，可以隔離單個載流子類型（通常是電子），使得器件的光響應(yīng)僅取決于這些載流子的傳輸。然而，與PIN光電二極管相比，UTC的能帶結(jié)構(gòu)要求通常需要III-V材料來實現(xiàn)，這使得在與硅基光子系統(tǒng)集成時面臨額外的挑戰(zhàn)。 ;w@PnY  
    GcQO&oq|  
    本例中光電探測器是基于集成在硅基光子系統(tǒng)上的InP/InGaAs混合波導(dǎo)光電二極管所設(shè)計的[2]。其包括100nm厚的InP鍵合/匹配層、250nm厚的GaAs吸收體和700nm厚的In P本征收集層。材料堆疊和相關(guān)的帶結(jié)構(gòu)如下圖所示。測量了長度為25um、50um和150um的光電探測器[2]。 b(dIl)Y4 :  
    JK.lL]<p i  
    OwrzD~  
    QD%~ A0  
    光學(xué)設(shè)計 G<,@|6"w  
    nmp(%;<exN  
    使用FDTD求解器，計算出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下光電探測器中的光場變化（主要以電場E的形式表示）。 IB:Wh;_x  
    wxpE5v+f|  
    iIu  
    光電探測器樣光傳播方向（Y）的截面
    CXGq>cQ=d  
    .4A4\-Cqe  
    監(jiān)視器1中的光場分布（YZ方向）
    -J4?Km  
    在得到光場后，軟件內(nèi)置的分析腳本將自動的計算出光產(chǎn)生速率，同時會根據(jù)光生成率在光傳播方向（y）上的平均值生成一個文件，此文件將在CHARGE中用于電學(xué)仿真。 dIe-z7x  
    RG|]Kt8  
    w1EYXe  
    光生成速率的平均值示意圖
    MCU{@ \?Xf  
    產(chǎn)生速率分析還基于輸入功率和器件體積來計算光電探測器的響應(yīng)度。因此調(diào)整光電探測器的（Y方向）的長度，可以初步觀察到響應(yīng)度的變化。 ?J,hv'L]  
    -Y%#z'^-  
    電學(xué)設(shè)計與光電響應(yīng) u^SXg dj  
    K~OfC  
    穩(wěn)態(tài)：暗電流和響應(yīng) P9v N5|"M  
    P 0,) Gw  
    文獻中[2]測量到的暗電流小于10nA。為了模擬光電探測器的穩(wěn)態(tài)特性，我們將FDTD中計算出的長度為50μm的光電探測器的光學(xué)生成率導(dǎo)入到CHARGE電學(xué)仿真當(dāng)中，將偏置從-5V掃到1.5V，進行暗電流模擬和響應(yīng)模擬。從光電流響應(yīng)來看，響應(yīng)度為1.07A/W，表明復(fù)合損耗可忽略不計。通過減少InGaAs吸收層中的載流子壽命，5V反向偏壓下的暗電流被設(shè)置為~1nA。 JX(J