讀者投稿 | 半導(dǎo)體光探測(cè)器的自動(dòng)化智能設(shè)計(jì)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
- w' m# n" u: A) O3 ^半導(dǎo)體光探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，被廣泛應(yīng)用于光通信等需要寬帶、高效率、低暗電流的場(chǎng)景。然而，光電探測(cè)器的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸是帶寬和量子效率之間的限制，目前已經(jīng)提出了不同的設(shè)計(jì)方案來(lái)克服這一挑戰(zhàn)，一個(gè)成功的解決方案是改進(jìn)型單行載流子光電探測(cè)器（MUTC-PD）。該結(jié)構(gòu)通過(guò)在InP漂移層和p型InGaAs吸收層之間插入未摻雜的InGaAs層來(lái)設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化層厚，可以獲得更高的帶寬和響應(yīng)性。
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; G( q* x$ l; e9 y) J$ b在MUTC-PD的設(shè)計(jì)過(guò)程中，混合吸收區(qū)的總厚度保持不變，通過(guò)適當(dāng)選擇兩種吸收層的厚度比，可以使帶寬最大化。由于光探測(cè)器層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，僅通過(guò)人工掃描每層的厚度和摻雜濃度很難找到相應(yīng)的層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大帶寬。另一方面，每次數(shù)值計(jì)算大約需要幾分鐘。如果精確掃描每一層的厚度和摻雜濃度，這一工作量將需要大量的時(shí)間，并且在大多數(shù)情況下不會(huì)找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。因此，傳統(tǒng)的掃描方法不能考慮整體結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)，難以發(fā)揮器件性能的潛力。
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為了在不降低響應(yīng)度的同時(shí)進(jìn)一步提高光探測(cè)器的帶寬，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院（信息光子學(xué)與光通信全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）研究團(tuán)隊(duì)[1] 提出了MUTC-PD的自動(dòng)化智能設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合電荷控制原理計(jì)算帶寬，如圖1所示。同時(shí)采用基于變速攀升粒子群優(yōu)化算法（VVCPSO），能夠快速高效地計(jì)算出相應(yīng)的層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最大帶寬，最大限度地發(fā)揮器件的性能潛力。
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/ b5 ^# x' l& ]0 R) @2 R圖1 光探測(cè)器自動(dòng)化智能設(shè)計(jì)過(guò)程
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電荷控制原理
8 \$ S2 |/ S) d2 r; j( f如圖2所示，以混合吸收區(qū)中有兩種摻雜濃度為例，MUTC-PD中的電流主要有三個(gè)來(lái)源：厚度為Wan的p型吸收區(qū)產(chǎn)生的電子電流Je1 (ω, x)；厚度為Wad的耗盡吸收區(qū)中產(chǎn)生的電子電流和空穴電流Je2(ω, x)和Jh (ω, x)。只要Je1(ω, x)和Je2(ω, x)之和的響應(yīng)快于Jh (ω, x)，則加入p型吸收體可以改善總響應(yīng)。這是因?yàn)樽罱K的傳輸時(shí)間是由緩慢的載體決定的，所以添加p型吸收區(qū)保證在不增加傳輸時(shí)間的情況下提高響應(yīng)性。

圖2 MUTC-PD的能帶結(jié)構(gòu)示意圖
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將上述三個(gè)電流分量Je1(ω, x)、Je2(ω, x)和Jh(ω, x)在耗盡層上積分，得到各部分的電流響應(yīng)如下：

式中Ran(ω)為p型吸收區(qū)的電子注入電流響應(yīng)，ve和vh分別為電子和空穴飽和速度，Wdep為總耗盡厚度。假設(shè)ve和vh是常數(shù)。我們考慮具有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的少數(shù)電子的Ran(ω)：

對(duì)于恒定摻雜和均勻載流子產(chǎn)生率的情況，延遲時(shí)間τan是擴(kuò)散率De和熱離子發(fā)射速度vth的函數(shù)，近似為：
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總的電流響應(yīng)為以上四部分之和：

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4 S% r7 v5 e/ A, Z  tMUTC-PD的自動(dòng)化智能設(shè)計(jì)結(jié)果
9 ]. E8 |6 G1 z; g) S; Z5 i在整個(gè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們采用VVCPSO算法，我們將算法的FOM設(shè)置為帶寬，其表達(dá)式為：

3 T2 Q; r5 w* I4 s& K! j5 [其中I為上述電荷控制原理求解的電流。
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% ?9 Z* g  ~8 F3 u6 Q采用VVCPSO算法優(yōu)化的MUTC-PD有8層。優(yōu)化前后各層的材料、厚度和摻雜濃度如表1所示。PD工作于反向偏置（Vbias = - 3 V），并由1310 nm連續(xù)波激光照射，其直徑為16 μm。

; r$ q9 b% \" e3 r表1 優(yōu)化前后層結(jié)構(gòu)對(duì)比

為了驗(yàn)證該方法的有效性和準(zhǔn)確性，研究了優(yōu)化前后MUTC-PD的帶寬性能。
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如圖3(a)所示，我們可以看到優(yōu)化前器件的帶寬約為20 GHz，經(jīng)過(guò)1500次計(jì)算，我們將相同材料分布的器件的總帶寬提高到60 GHz，從而使帶寬性能提高了三倍。圖3(b)顯示了MUTC-PD的響應(yīng)特性。由于優(yōu)化前后的混合吸收器總寬度為0.4μm，因此響應(yīng)率保持不變。可以看出，器件的響應(yīng)度約為0.52 A/W。通過(guò)以上研究，證明了該方法在優(yōu)化設(shè)備帶寬方面的應(yīng)用價(jià)值。該結(jié)構(gòu)可以作為800G系統(tǒng)的關(guān)鍵接收器件。

圖3 (a)優(yōu)化前后器件帶寬(b) MUTC-PD的響應(yīng)特性

; ]% h9 R1 K  Z0 ^總結(jié)
/ m1 a5 n! |9 w) C  O3 D本文提出了一種基于電荷控制原理的MUTC-PD自動(dòng)化智能設(shè)計(jì)方法。通過(guò)數(shù)值結(jié)果與仿真結(jié)果的比較，表明該方法可以近似并快速估計(jì)出MUTC-PD的最大帶寬。通過(guò)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，我們將MUTC-PD的帶寬提高了三倍。此外，該方法的計(jì)算速度比仿真軟件快1800倍左右，因此可以進(jìn)行廣泛的參數(shù)研究以優(yōu)化器件性能。這種方法能夠極大提高設(shè)計(jì)效率，探索器件的極限性能，對(duì)光電探測(cè)器的研究起著重要的作用。

參考文獻(xiàn)
[1] Junjing Huang, Xiaofeng Duan, Kai Liu, Yongqing Huang, and Xiaomin Ren, "Automated intelligent design of modified uni-traveling carrier photodectors," Optics Express 32, 18843-18857 (2024).

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