Ansys Lumerical | 单行载流子光电探测器仿真方法

混合硅基光电探测器的详细性能研究与系统设计


概述

本文将深入探讨使用InP/InGaAs材料构成的单行载流子（unitraveling carrier，UTC）光电探测器的各项性能，特别是与硅波导的渐变耦合设计。通过结合Lumerical的光学和电学求解器，我们能够对光电探测器进行详尽的模拟和优化。光学仿真采用时域有限差分（FDTD）方法来揭示光电探测器的光学场行为，包括吸收功率的计算以及电子空穴对的局部产生率评估。之后，将这些光电产生速率导入电学仿真模块，用于进一步的分析和求解，以评估器件的电学特性和光电响应。




背景与理论基础

光电探测器（光电二极管）的主要作用是将光信号转换为电信号，以解码加载在光信道上的编码信息。Lumerical的光学和电学求解器通过对光电探测器的精确模拟，为设计和优化这一类高效率且定制化的光电设备提供了强大的工具。

对于高速的应用场景，传统PIN结构利用本征区域中光生载流子的分离来产生光电流，然而这种方法存在延迟和不对称响应的问题。通过结合窄带隙和宽带隙半导体材料，如利用InP和InGaAs，我们可以实现更高效的载流子传输，从而优化光电探测器的渡越时间响应。

系统构成与测量

在本研究中，光电探测器是由集成在硅基光子系统上的InP/InGaAs混合波导结构组成。这一设计具体包括100nm厚的InP键合/匹配层、250nm厚的GaAs吸收层和700nm厚的In P本征收集层。通过FDTD模块的光学仿真，揭示了不同结构参数下光电探测器中光场的变化，以及电子空穴对产生的关键机制。对于光场分析，我们关注的是由电场E表征的光传播方向（Y方向）的截面，以及在（YZ）平面内的光场分布。

光学仿真后，光电产生率通过内置分析脚本自动计算。进一步地，将生成的光电产生率数据导入到电学仿真（CHARGE模块）中，应用于求解连续性方程，以深入了解器件的电学特性和光电响应。

性能分析与优化


光学设计与光电响应

首先，采用FDTD方法计算了光电探测器中光场（以电场E表示）的显著变化，特别是不同结构参数下的光场分布。这为理解光信号如何在光电探测器中转换为电信号提供了基础图景。

随后，通过分析光产生速率（平均值视Y方向传播而得），对光电探测器的响应度进行了评估。通过调整Y方向的长度，可以观察到响应度的初步变化。

电学设计与稳态特性

在电子空穴对的高能响应下进一步优化，以模拟光电探测器的稳态特性。基于50微米长光电探测器的光学产生率数据，模拟了光电流响应，结果表明响应度为1.07A/W，暗示了材料和设计优化的有效性。此外，通过减少InGaAs吸收层中的载流子寿命，将5伏反向偏压下的暗电流设置为约1纳安培（nA）。

瞬态响应与带宽分析

瞬态响应分析对光电探测器的等效电路模型进行了提取，该模型捕获了渡越时间延迟和二极管的阻抗（RC）。选取不同偏置电压参数进行小信号分析，揭示了模型中串联电阻 RS 和电压相关电容C的关系，以及电导在不同频率响应下的变化特性。通过分析触点在5伏偏压下的5微微秒内小信号交流电压响应，生成了电容频率关系图，为计算收集层电容（0.14飞法拉/平方微米）提供了依据。

带宽分析考虑了包括负载电阻（50欧姆）和接触电阻的RC模型，以及假定的寄生电容（导电衬底和吸收层），进一步提升了光电探测器的响应度与系统设计的经济性。对于此特定配置，光电探测器的传输时间限制分析表明，光电脉冲在光电探测器内的传递时间约为11皮秒（ps），不受探测器面积的影响。该发现为提升光电探测器的响应速度提供了理论指导。

结论与展望

通过深入研究混合硅基光电探测器的光学、电学特性以及瞬态响应，我们详细探讨了设计和优化光电探测器的关键环节，包括材料和结构的精心选择、高级数值模拟方法的高效应用，以及对响应特性的精细分析。利用Lumerical的光学和电学求解器，我们不仅揭示了光电探测器核心物理过程的详细行为，而且还研究了与硅基光子系统集成的难点和解决方案。

未来的研究仍将持续关注光电探测器在新兴光通信、信息处理和传感器技术领域的应用，特别是在高速、低功耗和高灵敏度应用方面的进一步优化。通过不断完善设计、提高制造工艺水平以及创新材料的选择与加工，光电探测器有望在各种重要领域展现出更加强大的效能，为现代科技的发展提供强有力的支持。