讀者投稿 | 半導體光探測器的自動化智能設計

逍遙設計自動化

引言
半導體光探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換成電信號，被廣泛應用于光通信等需要寬帶、高效率、低暗電流的場景。然而，光電探測器的一個關鍵瓶頸是帶寬和量子效率之間的限制，目前已經(jīng)提出了不同的設計方案來克服這一挑戰(zhàn)，一個成功的解決方案是改進型單行載流子光電探測器（MUTC-PD）。該結構通過在InP漂移層和p型InGaAs吸收層之間插入未摻雜的InGaAs層來設計。通過優(yōu)化層厚，可以獲得更高的帶寬和響應性。
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在MUTC-PD的設計過程中，混合吸收區(qū)的總厚度保持不變，通過適當選擇兩種吸收層的厚度比，可以使帶寬最大化。由于光探測器層結構比較復雜，僅通過人工掃描每層的厚度和摻雜濃度很難找到相應的層結構來實現(xiàn)最大帶寬。另一方面，每次數(shù)值計算大約需要幾分鐘。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間，并且在大多數(shù)情況下不會找到最優(yōu)結構。因此，傳統(tǒng)的掃描方法不能考慮整體結構的協(xié)同效應，難以發(fā)揮器件性能的潛力。
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$ _  L, J6 f/ d8 z0 R. z5 N, ?* T為了在不降低響應度的同時進一步提高光探測器的帶寬，北京郵電大學電子工程學院（信息光子學與光通信全國重點實驗室）研究團隊[1] 提出了MUTC-PD的自動化智能設計方案，并結合電荷控制原理計算帶寬，如圖1所示。同時采用基于變速攀升粒子群優(yōu)化算法（VVCPSO），能夠快速高效地計算出相應的層結構，實現(xiàn)最大帶寬，最大限度地發(fā)揮器件的性能潛力。

) I: @& b# r0 d' Z) ~0 b圖1 光探測器自動化智能設計過程

電荷控制原理
1 S  {4 R7 c. [: n0 D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來源：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)之和的響應快于Jh (ω, x)，則加入p型吸收體可以改善總響應。這是因為最終的傳輸時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間的情況下提高響應性。
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圖2 MUTC-PD的能帶結構示意圖

+ ?8 v7 a6 P2 e. z" {% u3 K( J將上述三個電流分量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如下：
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* C- V5 M9 I- \式中Ran(ω)為p型吸收區(qū)的電子注入電流響應，ve和vh分別為電子和空穴飽和速度，Wdep為總耗盡厚度。假設ve和vh是常數(shù)。我們考慮具有擴散運動的少數(shù)電子的Ran(ω)：

對于恒定摻雜和均勻載流子產(chǎn)生率的情況，延遲時間τan是擴散率De和熱離子發(fā)射速度vth的函數(shù)，近似為：
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  n' m" Z- e: V! n4 l總的電流響應為以上四部分之和：


MUTC-PD的自動化智能設計結果
; I8 u' p9 x1 @在整個自動化設計的過程中，我們采用VVCPSO算法，我們將算法的FOM設置為帶寬，其表達式為：

/ d- d1 ^/ `, B$ @- p; N. D8 e其中I為上述電荷控制原理求解的電流。

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。
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表1 優(yōu)化前后層結構對比

# q# D  Q" @' N& p; \2 B4 b* u為了驗證該方法的有效性和準確性，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1500次計算，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，因此響應率保持不變。可以看出，器件的響應度約為0.52 A/W。通過以上研究，證明了該方法在優(yōu)化設備帶寬方面的應用價值。該結構可以作為800G系統(tǒng)的關鍵接收器件。
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8 T/ d% Z4 p7 R/ Q圖3 (a)優(yōu)化前后器件帶寬(b) MUTC-PD的響應特性

總結
( U7 e% O! u. ^* [  _% N4 B. U/ ?6 k本文提出了一種基于電荷控制原理的MUTC-PD自動化智能設計方法。通過數(shù)值結果與仿真結果的比較，表明該方法可以近似并快速估計出MUTC-PD的最大帶寬。通過自動化設計，我們將MUTC-PD的帶寬提高了三倍。此外，該方法的計算速度比仿真軟件快1800倍左右，因此可以進行廣泛的參數(shù)研究以優(yōu)化器件性能。這種方法能夠極大提高設計效率，探索器件的極限性能，對光電探測器的研究起著重要的作用。
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參考文獻
. }6 ~+ U# ?0 V$ v7 a2 N[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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6 n$ y) L8 T; ^: n. g  J深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。

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