讀者投稿 | 半導體光探測器的自動化智能設(shè)計

逍遙設(shè)計自動化

引言
( r! w2 u6 c+ y& u0 {2 P2 Y, b/ }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(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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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，難以發(fā)揮器件性能的潛力。
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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(shè)計方案，并結(jié)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)最大帶寬，最大限度地發(fā)揮器件的性能潛力。
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& P  C+ X$ B; _6 {' P圖1 光探測器自動化智能設(shè)計過程
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$ w) k/ O9 K* @' q% ?6 S& d電荷控制原理
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(jié)構(gòu)示意圖
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. B6 T- B! {& v. \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：

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(shè)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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9 \( ?$ D/ b& C) f總的電流響應為以上四部分之和：
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, u7 ]" \" G9 f# t( R- E8 KMUTC-PD的自動化智能設(shè)計結(jié)果
3 s  s! u+ K# U6 h  ^" X  s& a在整個自動化設(shè)計的過程中，我們采用VVCPSO算法，我們將算法的FOM設(shè)置為帶寬，其表達式為：

其中I為上述電荷控制原理求解的電流。
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; V  g. f- ]+ Y& j0 u* w/ y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。

表1 優(yōu)化前后層結(jié)構(gòu)對比
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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。

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�？梢钥闯�，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(shè)備帶寬方面的應用價值。該結(jié)構(gòu)可以作為800G系統(tǒng)的關(guān)鍵接收器件。
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" B& Z  s2 f" F6 O圖3 (a)優(yōu)化前后器件帶寬(b) MUTC-PD的響應特性
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  m, ^) i) `0 I4 ~3 [4 L3 s, M* b總結(jié)
/ C* a  k9 V! I* s本文提出了一種基于電荷控制原理的MUTC-PD自動化智能設(shè)計方法。通過數(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出MUTC-PD的最大帶寬。通過自動化設(shè)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(shè)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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  H& G/ O. ?# i- N* w. \! f參考文獻
1 v8 T- R3 ^( V2 ^6 A- a[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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