[發明專利]一種Ge/SiSACM結構雪崩光電二極管的等效電路模型建立方法

有效

• 申請號: 201510204629.2
• 申請日: 2015-04-27
• 公開（公告）號: CN104794294B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 王巍;顏琳淑;胡潔
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司11275
• 代理人: 廖曦

技術領域

本發明屬于半導體光電二極管技術領域，涉及一種Ge/Si SACM結構雪崩光電二極管的等效電路模型建立方法。

背景技術

隨著光纖通信技術的發展，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APD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。

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,在高速光通信系統中有著非常巨大的應用前景。

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，提供長波長的靈敏度，以較寬禁帶材料Si作為倍增區來減小隧穿電流，光的吸收和電荷的倍增分別發生在Ge和Si結構中，從而將吸收區、倍增區獨立分開，吸取兩種材料各自的優勢進行工作，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，同時為了獲得雪崩增益,耗盡區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，確保雪崩倍增的發生的同時也大大提高了器件速率和響應度。

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APD簡化為由P、I、N三層構成的一維結構，考慮了器件耗盡區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學處理推導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.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模塊式模擬設計。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種Ge/Si SACM結構雪崩光電二極管的等效電路模型建立方法，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。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

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，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)互聯這些子電路模塊，建立等效電路模型。

進一步，步驟1)具體包括：

建立Ge/Si SACM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m1，m2兩個階梯層。

進一步，在步驟2)中：

為了提高數值的精準性，引入一個常數，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。

進一步，在步驟3)中：