一種Ge/Si SACM結構雪崩光電二極管的等效電路模型建立方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導體光電二極管技術領域,涉及一種Ge/SiSACM結構雪崩光電二極 管的等效電路模型建立方法。
【背景技術】
[0002] 隨著光纖通信技術的發(fā)展,作為光通信網絡重要部分的光接收機,主要使用具有 內部增益的雪崩光電二極管(APD)作為其前端光電轉化模塊。早期的Aro大多是基于 InGaAs/InP等III-V族半導體材料制成,但其制作成本高、導熱性能和機械性能較差以及 與現(xiàn)有的成熟的Si工藝兼容性差等缺點限制了其在Si基光電集成技術中的應用。
[0003] 有鑒于此,人們提出了一類將吸收層、電荷層及雪崩層分離的雪崩二極管 (SACM-APD)結構的Ge/Si光電探測器,其增益帶寬積可達340GHz,足以與目前的III-V族 材料探測器媲美。由于Ge材料的直接帶隙約為0. 67eV對近紅外光良好的吸收率以及硅理 想的空穴/電子電離比(k〈0.1),特別是Ge與現(xiàn)有的Si工藝能完全兼容,因此利用Ge/Si 異質結技術制造的SCAM-APD器件具有靈敏度高,響應速度快,工作頻率范圍寬等特點, 在高速光通信系統(tǒng)中有著非常巨大的應用前景。
[0004]Ge/SiSACM-APD器件的工作原理即為以較窄禁帶寬度材料Ge作為光吸收區(qū),提 供長波長的靈敏度,以較寬禁帶材料Si作為倍增區(qū)來減小隧穿電流,光的吸收和電荷的倍 增分別發(fā)生在Ge和Si結構中,從而將吸收區(qū)、倍增區(qū)獨立分開,吸取兩種材料各自的優(yōu)勢 進行工作,這種結構能有效的降低雪崩光電二極管的暗電流。為了獲得較高的量子效率,器 件需要具有較厚的耗盡區(qū),同時為了獲得雪崩增益,耗盡區(qū)還要有足夠大的電場,這使得 器件需要較高的偏置電壓來確保雪崩倍增過程的發(fā)生。因此在吸收層與倍增層之間引入電 荷層,電荷層可以降低吸收層的電場從而提高倍增層的有效電場,即吸收層與倍增層之間 形成較大的電場落差,確保雪崩倍增的發(fā)生的同時也大大提高了器件速率和響應度。
[0005] 建立APD等效電路模型,并用EDA軟件對APD等效電路模型進行器件結構和性能 的模擬計算,是一種簡單而有效的計算機輔助設計方法。目前,陳維友等人已給出了一個完 整的PIN-APD等效電路模型,該模型將AH)簡化為由P、I、N三層構成的一維結構,考慮了器 件耗盡區(qū)外過剩少子的擴散和漂移,最后將探測器的載流子速率方程做數(shù)學處理推導出等 效電路方程的形式。M.Soroosh等在PIN-AH)等效電路模型的基礎上,建立了分離型雪崩光 探測器(SAM-APD)的等效電路模型,但并未給出適合Ge/Si材料的模型。M.JDeen等采用 類似"黑盒子"建模的方式建立APD等效電路模型,將傳遞函數(shù)直接等效于一個受控源,在 電路中沒有直接對應的元件,這樣的結構難以在EDA電路模擬軟件中直接實現(xiàn)模塊式模擬 設計。
【發(fā)明內容】
[0006] 有鑒于此,本發(fā)明的目的在于提供一種Ge/SiSACM結構雪崩光電二極管的等 效電路模型建立方法,該方法基于Ge/Si異質結特性,從器件內部的物理機理上對Ge/Si SACM-APD器件進行理論分析,然后對APD速率方程、噪聲電流、暗電流和寄生參量四部分來 建立APD的等效電路模型。
[0007] 為達到上述目的,本發(fā)明提供如下技術方案:
[0008] -種Ge/SiSACM結構雪崩光電二極管的等效電路模型建立方法,在該方法中,從 APD速率方程、噪聲電流、暗電流和寄生參量四部分來建立APD的等效電路模型,包括以下 步驟:1)將物理模型分解為多個部分,根據(jù)每一層結構構造載流子輸運方程;2)構造對應 于每一部分的子電路模塊;3)互聯(lián)這些子電路模塊,建立等效電路模型。
[0009] 進一步,步驟1)具體包括:
[0010] 建立Ge/SiSACM結構雪崩光電二極管各層所對應的載流子速率方程,通過空穴和 電子的載流子速率方程推導光電路模型;同時,SACM異質結結構,其電荷層和吸收層的電 場強度變化很小,而在倍增層的電場強度變化比較陡峭,所以在電荷層和吸收層的電場是 均勻的,在倍增層的電場分布是線性變化的;并把倍增層分為ml,m2兩個階梯層。
[0011] 進一步,在步驟2)中:
[0012] 為了提高數(shù)值的精準性,引入一個常數(shù),它可以看作是一個將電荷轉化為對應電 壓的電容,從而得到各層中載流子的等效電壓,從而將所述的光學性能方式轉化為電路方 程形式,得到電路模型的子模塊。
[0013] 進一步,在步驟3)中:
[0014] 該電路模型含有三個端口,一個虛擬端口,另外兩個對應器件的實際終端,在處理 光信號時,有必要引入一個虛擬端口接收光信號;電路模型的第一部分對應于光的吸收, 體現(xiàn)了吸收率的變化情況;第二部分對應了器件的內部工作機理,包括:倍增效應,載流子 的復合、漂移、以及擴散;第三部分對應于光輸入情況,體現(xiàn)了器件的光電流和噪聲。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明基于Ge/Si異質結特性,從器件內部的物理機理 上對Ge/SiSACM-APD器件進行理論分析,從APD速率方程、噪聲電流、暗電流和寄生參量四 部分來建立APD的等效電路模型,可以很方便地對硅基AH)器件進行模擬與設計。
【附圖說明】
[0016] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚,本發(fā)明提供如下附圖進行 說明:
[0017] 圖1為Ge/SiSACM-APD器件結構圖;
[0018] 圖2為漂移電流從每一層到相鄰層流動不意圖;
[0019] 圖3為電場強度的階梯分布示意圖;
[0020] 圖4為Ge/SiSACM-APD等效電路模型圖;
[0021] 圖5為電路模型仿真結果與實驗結果對應的I-V特性比較示意圖;
[0022] 圖6為Ge/SiSACM-APD等效電路模型散粒噪聲仿真結果;
[0023] 圖7為Ge/SiSACM-APD等效電路模型頻率響應仿真結果。
【具體實施方式】
[0024] 下面將結合附