綜述

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相連。在本次仿真中，FDTD模塊將分析光電探測器的光學響應，CHARGE模塊將分析器件的電學特性。

背景

光電探測器的主要作用是將光信號轉換為電信號，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的光學和電學求解器對此類器件進行精確模擬和優化。首先采用時域有限差分（FDTD）方法模擬了光電探測器的光學特性，計算光學吸收功率可以得出電子-空穴對的局部產生率。然后，將光學仿真求得的電子空穴對產生速率導入電學仿真（CHARGE）中用于求解的連續性方程。

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）設計來優化渡越時間響應[1]。在傳統的PIN結構中，載流子是在本征區中光生的，在本征區中，強場將載流子分離以產生光電流。載流子的速度通常是有限的，并且在大多數常見的材料（如鍺）中空穴比電子慢，這會導致延遲和不對稱響應。通過結合窄帶隙和寬帶隙半導體，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的能帶結構要求通常需要III-V材料來實現，這使得在與硅基光子系統集成時面臨額外的挑戰。

本例中光電探測器是基于集成在硅基光子系統上的InP/InGaAs混合波導光電二極管所設計的[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。材料堆疊和相關的帶結構如下圖所示。測量了長度為25um、50um和150um的光電探測器[2]。

光學設計

使用FDTD求解器，計算出不同結構參數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

監視器1中的光場分布（YZ方向）

在得到光場后，軟件內置的分析腳本將自動的計算出光產生速率，同時會根據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中用于電學仿真。

光生成速率的平均值示意圖

產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度。因此調整光電探測器的（Y方向）的長度，可以初步觀察到響應度的變化。

電學設計與光電響應

穩態：暗電流和響應

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態特性，我們將FDTD中計算出的長度為50μm的光電探測器的光學生成率導入到CHARGE電學仿真當中，將偏置從-5V掃到1.5V，進行暗電流模擬和響應模擬。從光電流響應來看，響應度為1.07A/W，表明復合損耗可忽略不計。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置為~1nA。

瞬態響應和帶寬

瞬態響應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納（RC）[3]。首先，為了提取二極管的導納，我們將在不同的偏置電壓下進行小信號分析。二極管的小信號模型包括串聯電阻RS~0和電壓相關電容C（V）。電導可忽略不計（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），并應相應地縮放。

為了提取阻抗，二極管的導納函數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的頻率范圍內進行小信號分析。仿真運行完，可以將觸點處的小信號交流電與頻率的函數關系圖。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納隨頻率線性增加，電流與頻率的關系曲線是一條直線。我們還可以計算光電探測器的導納，從而計算作為頻率函數的電容值（圖右）。

根據該響應，在整個頻率范圍內，收集層電容為0.14fF/μm2。RC帶寬分析中應包括附加寄生電容。

假設導電襯底，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層和掩埋氧化物絕緣構成）。假設二氧化硅層厚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，使用了包括負載電阻和接觸電阻的電阻模型，其值來自文獻[2]

其中RL=50Ω，ρc=10kΩ.μm2。 還可以使用瞬態模擬來評估帶寬的傳輸時間限制。為了分析渡越時間響應，通過控制打開和關閉光源（生成速率）的時間以生成光脈沖。快門的設置可以在“CHARGE”求解器的“瞬態”選項卡下找到。

三個電流密度監測器，間隔0.25um，用于監測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）的瞬態響應，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。總帶寬由傳輸時間和RC限制的確定，此外，這些參數也可用于填充等效電路模型。



根據分析模擬電容和渡越時間以及提取的電阻（負載和接觸）構建的模型，可以發現光電探測器與其面積相關的帶寬與文獻[2]測量的響應非常一致。

審核編輯：劉清