[發(fā)明專利]一種Ge/SiSACM結(jié)構(gòu)雪崩光電二極管的等效電路模型建立方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510204629.2
• 申請(qǐng)日: 2015-04-27
• 公開（公告）號(hào): CN104794294B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王巍;顏琳淑;胡潔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11275
• 代理人: 廖曦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電二極管技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種Ge/Si SACM結(jié)構(gòu)雪崩光電二極管的等效電路模型建立方法。

背景技術(shù)

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，作為光通信網(wǎng)絡(luò)重要部分的光接收機(jī)，主要使用具有內(nèi)部增益的雪崩光電二極管(APD)作為其前端光電轉(zhuǎn)化模塊。早期的APD大多是基于InGaAs/InP等III-V族半導(dǎo)體材料制成，但其制作成本高、導(dǎo)熱性能和機(jī)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(diǎn)限制了其在Si基光電集成技術(shù)中的應(yīng)用。

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(jié)構(gòu)的Ge/Si光電探測(cè)器，其增益帶寬積可達(dá)340GHz,足以與目前的III-V族材料探測(cè)器媲美。由于Ge材料的直接帶隙約為0.67eV對(duì)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(zhì)結(jié)技術(shù)制造的SCAM-APD器件具有靈敏度高,響應(yīng)速度快,工作頻率范圍寬等特點(diǎn),在高速光通信系統(tǒng)中有著非常巨大的應(yīng)用前景。

Ge/Si SACM-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(jié)構(gòu)中，從而將吸收區(qū)、倍增區(qū)獨(dú)立分開，吸取兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行工作，這種結(jié)構(gòu)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(shí)為了獲得雪崩增益,耗盡區(qū)還要有足夠大的電場(chǎng)，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(chǎng)從而提高倍增層的有效電場(chǎng)，即吸收層與倍增層之間形成較大的電場(chǎng)落差，確保雪崩倍增的發(fā)生的同時(shí)也大大提高了器件速率和響應(yīng)度。

建立APD等效電路模型，并用EDA軟件對(duì)APD等效電路模型進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)和性能的模擬計(jì)算，是一種簡(jiǎn)單而有效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。目前，陳維友等人已給出了一個(gè)完整的PIN-APD等效電路模型，該模型將APD簡(jiǎn)化為由P、I、N三層構(gòu)成的一維結(jié)構(gòu)，考慮了器件耗盡區(qū)外過剩少子的擴(kuò)散和漂移，最后將探測(cè)器的載流子速率方程做數(shù)學(xué)處理推導(dǎo)出等效電路方程的形式。M.Soroosh等在PIN-APD等效電路模型的基礎(chǔ)上，建立了分離型雪崩光探測(cè)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.J Deen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(gè)受控源，在電路中沒有直接對(duì)應(yīng)的元件，這樣的結(jié)構(gòu)難以在EDA電路模擬軟件中直接實(shí)現(xiàn)模塊式模擬設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種Ge/Si SACM結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)特性，從器件內(nèi)部的物理機(jī)理上對(duì)Ge/Si SACM-APD器件進(jìn)行理論分析，然后對(duì)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。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種Ge/Si SACM結(jié)構(gòu)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(gè)部分，根據(jù)每一層結(jié)構(gòu)構(gòu)造載流子輸運(yùn)方程；2)構(gòu)造對(duì)應(yīng)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。

進(jìn)一步，步驟1)具體包括：

建立Ge/Si SACM結(jié)構(gòu)雪崩光電二極管各層所對(duì)應(yīng)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(dǎo)光電路模型；同時(shí)，SACM異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其電荷層和吸收層的電場(chǎng)強(qiáng)度變化很小，而在倍增層的電場(chǎng)強(qiáng)度變化比較陡峭，所以在電荷層和吸收層的電場(chǎng)是均勻的，在倍增層的電場(chǎng)分布是線性變化的；并把倍增層分為m1，m2兩個(gè)階梯層。

進(jìn)一步，在步驟2)中：

為了提高數(shù)值的精準(zhǔn)性，引入一個(gè)常數(shù)，它可以看作是一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)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(xué)性能方式轉(zhuǎn)化為電路方程形式，得到電路模型的子模塊。

進(jìn)一步，在步驟3)中：