Lumerical 单行载流子光电探测器仿真方法

光电探测器的主要作用是将光信号转换为电信号，以解码出加载到光信道上编码的信息。因此我们可以使用Lumerical的光学和电学求解器对此类器件进行精确模拟和优化。首先采用时域有限差分（FDTD）方法模拟了光电探测器的光学特性，计算光学吸收功率可以得出电子-空穴对的局部产生率。然后，将光学仿真求得的电子空穴对产生速率导入电学仿真（CHARGE）中用于求解的连续性方程。

对于高速光电二极管，通过将吸收层与收集层解耦，可以使用单行载流子（UTC）设计来优化渡越时间响应[1]。在传统的PIN结构中，载流子是在本征区中光生的，在本征区中，强场将载流子分离以产生光电流。载流子的速度通常是有限的，并且在大多数常见的材料（如锗）中空穴比电子慢，这会导致延迟和不对称响应。通过结合窄带隙和宽带隙半导体，可以隔离单个载流子类型（通常是电子），使得器件的光响应仅取决于这些载流子的传输。然而，与PIN光电二极管相比，UTC的能带结构要求通常需要III-V材料来实现，这使得在与硅基光子系统集成时面临额外的挑战。

本例中光电探测器是基于集成在硅基光子系统上的InP/InGaAs混合波导光电二极管所设计的[2]。其包括100nm厚的InP键合/匹配层、250nm厚的GaAs吸收体和700nm厚的In P本征收集层。材料堆叠和相关的带结构如下图所示。测量了长度为25um、50um和150um的光电探测器[2]。

光学设计

使用FDTD求解器，计算出不同结构参数下光电探测器中的光场变化（主要以电场E的形式表示）。

光电探测器样光传播方向（Y）的截面

监视器1中的光场分布（YZ方向）

在得到光场后，软件内置的分析脚本将自动的计算出光产生速率，同时会根据光生成率在光传播方向（y）上的平均值生成一个文件，此文件将在CHARGE中用于电学仿真。

电学设计与光电响应

稳态：暗电流和响应

文献中[2]测量到的暗电流小于10nA。为了模拟光电探测器的稳态特性，我们将FDTD中计算出的长度为50μm的光电探测器的光学生成率导入到CHARGE电学仿真当中，将偏置从-5V扫到1.5V，进行暗电流模拟和响应模拟。从光电流响应来看，响应度为1.07A/W，表明复合损耗可忽略不计。通过减少InGaAs吸收层中的载流子寿命，5V反向偏压下的暗电流被设置为~1nA。

瞬态响应和带宽

瞬态响应分析可用于提取光电探测器的等效电路模型，该模型捕获渡越时间延迟和二极管导纳（RC）[3]。首先，为了提取二极管的导纳，我们将在不同的偏置电压下进行小信号分析。二极管的小信号模型包括串联电阻RS~0和电压相关电容C（V）。电导可忽略不计（例如VR/Idark>1GΩ）。二极管模型中的每个阻抗可以理解为相对于PD表面积的密度（例如，每单位面积的电容），并应相应地缩放。

为了提取阻抗，二极管的导纳函数可以通过以下公式求得：

将光电探测器的触点反向偏置，偏置电压（dc）从0扫描到5V，并在5V时进行小信号分析。对于0.001V的小信号交流电压，在1GHz至100GHz的频率范围内进行小信号分析。仿真运行完，可以将触点处的小信号交流电与频率的函数关系图。下图（左）显示了阳极触点处小信号电流的大小。由于光电探测器的导纳随频率线性增加，电流与频率的关系曲线是一条直线。我们还可以计算光电探测器的导纳，从而计算作为频率函数的电容值（图右）。

根据该响应，在整个频率范围内，收集层电容为0.14fF/μm2。RC带宽分析中应包括附加寄生电容。

参考文献：

1.Ishibashi et al., IEICE Trans. Electron., E83-C, 938 (2000)

2.Beling et al., Opt. Expr., 21, 25901 (2013)

3.Piels et al., Opt. Expr., 21, 15634 (2013)

翻译：摩尔芯创-Bob