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。
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(jìn)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。
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(qiáng)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)。
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]。
光學(xué)設(shè)計
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)。
光電探測器樣光傳播方向(Y)的截面
監(jiān)視器1中的光場分布(YZ方向)
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。
光生成速率的平均值示意圖
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。
電學(xué)設(shè)計與光電響應(yīng)
穩(wěn)態(tài):暗電流和響應(yīng)
文獻(xiàn)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(jìn)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。
瞬態(tài)響應(yīng)和帶寬
瞬態(tài)響應(yīng)分析可用于提取光電探測器的等效電路模型,該模型捕獲渡越時間延遲和二極管導(dǎo)納(RC)[3]。首先,為了提取二極管的導(dǎo)納,我們將在不同的偏置電壓下進(jìn)行小信號分析。二極管的小信號模型包括串聯(lián)電阻RS~0和電壓相關(guān)電容C(V)。電導(dǎo)可忽略不計(例如VR/Idark>1GΩ)。二極管模型中的每個阻抗可以理解為相對于PD表面積的密度(例如,每單位面積的電容),并應(yīng)相應(yīng)地縮放。
為了提取阻抗,二極管的導(dǎo)納函數(shù)可以通過以下公式求得:
將光電探測器的觸點反向偏置,偏置電壓(dc)從0掃描到5V,并在5V時進(jìn)行小信號分析。對于0.001V的小信號交流電壓,在1GHz至100GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行小信號分析。仿真運(yùn)行完,可以將觸點處的小信號交流電與頻率的函數(shù)關(guān)系圖。下圖(左)顯示了陽極觸點處小信號電流的大小。由于光電探測器的導(dǎo)納隨頻率線性增加,電流與頻率的關(guān)系曲線是一條直線。我們還可以計算光電探測器的導(dǎo)納,從而計算作為頻率函數(shù)的電容值(圖右)。
根據(jù)該響應(yīng),在整個頻率范圍內(nèi),收集層電容為0.14fF/μm2。RC帶寬分析中應(yīng)包括附加寄生電容。
假設(shè)導(dǎo)電襯底,p+吸收層和襯底之間存在寄生電容(由非有意摻雜的硅波導(dǎo)層和掩埋氧化物絕緣構(gòu)成)。假設(shè)二氧化硅層厚2μm和硅層厚0.7μm,計算得平板電容為 Csub=0.013fF/μm2。注意,吸收層也用于接觸器件(陽極),其表面積約為光電探測器的兩倍。此外,金屬陽極和陰極接觸的靜態(tài)場分析(不包括集中在光電探測器中的場)給出了Cc=0.07fF/μm的小接觸電容(注意長度單位)。則總電容為:
因此對于50μm x 10μm光電探測器,其值約為80fF。
為了分析RC帶寬,使用了包括負(fù)載電阻和接觸電阻的電阻模型,其值來自文獻(xiàn)[2]
其中RL=50Ω,ρc=10kΩ.μm2。
還可以使用瞬態(tài)模擬來評估帶寬的傳輸時間限制。為了分析渡越時間響應(yīng),通過控制打開和關(guān)閉光源(生成速率)的時間以生成光脈沖??扉T的設(shè)置可以在“CHARGE”求解器的“瞬態(tài)”選項卡下找到。
三個電流密度監(jiān)測器,間隔0.25um,用于監(jiān)測UTC收集層中的電流。下圖顯示了采集層中三個采樣點(帶圖中所示位置)的瞬態(tài)響應(yīng),并說明了電流脈沖在光電探測器中的傳播。脈沖在τtr=11ps后到達(dá)采集層的末端。脈沖中的色散也是可見的。
因此傳輸時間帶寬為:
其與光電探測器面積無關(guān)??値捰蓚鬏敃r間和RC限制的確定,此外,這些參數(shù)也可用于填充等效電路模型。
根據(jù)分析模擬電容和渡越時間以及提取的電阻(負(fù)載和接觸)構(gòu)建的模型,可以發(fā)現(xiàn)光電探測器與其面積相關(guān)的帶寬與文獻(xiàn)[2]測量的響應(yīng)非常一致。