使用Macondo和NuwaTCAD软件联合仿真Ge/Si 垂直PIN结光电探测器（VPD）

随着硅基光电子集成芯片的发展，波导耦合型Ge/Si光电探测器逐渐成为硅基光电探测器的研究重点。Ge/Si 光电探测器主要为 PIN 型结构，光通过 Si 波导耦合进 Ge 吸收区，光入射方向与光生载流子的输运方向垂直，这种设计有效缓解了响应度和带宽的制约关系，从而在提高带宽的同时保证了较高的器件响应度。

图1. Ge/Si VPD器件结构

波导耦合结构的 Ge/Si PIN 光电探测器的主要包括对接耦合和倏逝场耦合两种类型。在对接耦合结构中，Ge 吸收区直接与 Si 波导对接，光从波导直接入射到 Ge 吸收层实现探测；而在倏逝波耦合结构中，Ge 吸收区位于 Si 波导正上方，利用 Ge 折射率高于 Si 的特性，光信号通过倏逝场耦合进入 Ge 吸收区实现探测。

图2. Ge/Si 光电探测器两种耦合方式示意图

图 2是两种耦合方式的示意图，其中图 2（a）为对接耦合，图 2（b）为倏逝场耦合。对接耦合型光电探测器耦合效率较高，但工艺流程复杂，影响探测器性能且不利于集成，同时其所需的厚顶层Si SOI衬底与常用硅光器件有兼容性的问题。倏逝波耦合型探测器的Ge吸收区位于Si波导上方，光通过倏逝场耦合进入Ge，结构简单，尤其是纵向PIN结构，制备工艺更简便，集成兼容性更好^[2]。

图3. Ge/Si 光电探测器两种PIN结方向示意图

常见耦合型探测器结构包括垂直（纵向）和横向 PIN 结构，如图3所示。对于垂直PIN结光电探测器（Vertical Photodetector，VPD），电流必须穿过硅/锗界面，界面缺陷会产生较高的暗电流和较低的响应度；而对于横向PIN结光电探测器（Lateral Photodetector，LPD），则避免了界面区域，但因为接触电极在锗的顶部，需要更高的电压才能将载流子及时输运出本征区域^[3]。

本文使用Macondo和NuwaTCAD软件联合仿真Ge/Si垂直PIN型光电探测器，仿真得到器件光电流、暗电流、响应度等器件特性。

一、光电探测器联合仿真流程

本节介绍波导型光电探测器的仿真步骤，图3展示了电光调制器联合仿真流程，首先，使用Macondo软件进行光传输特性的仿真，得到Ge材料吸收的光功率分布，处理加工得到光生载流子速率分布，然后将其导入NuwaTCAD软件进行半导体电学特性仿真，计算得到反偏下光电流，可以与无光照的暗电流进行对比，最后增加小信号的仿真，得到器件响应度特性。

图4. 光电探测器联合仿真流程图

二、器件结构与掺杂分布

本文中，Ge/Si VPD器件的结构参考T.-Y Liow et al.^[1]，结构示意图如图5所示，器件的相关参数记录在表1-3中。

图5. Ge/Si VPD器件的结构示意图

表1 记录了器件的材料参数。

表1. 器件的材料参数

表2 记录了器件的结构参数。

表2. 器件的结构参数

表3 记录了器件的掺杂分布和电极参数（TCAD）。

表3. 器件的掺杂分布和电极参数

得到的净掺杂分布如图6所示。

图6. 器件的净掺杂分布（TCAD）

三、器件仿真特性参数

光电探测器的核心指标主要有暗电流、光电流、响应度、和3 dB 带宽等。在光电器件仿真中，需要先得到器件的特性参数，如光吸收功率、光生载流子速率分布等，进而得到核心指标参数。

光吸收功率

根据坡印廷矢量的散度计算可得每单位体积的吸收，带入微观形式的焦耳定律，得到光吸收功率：

\begin{equation} P_{a b s}=-0.5 \omega|E|^{2} \operatorname{imag}(\varepsilon) \end{equation}

其中， $w$ 是角频率， $E$ 是电场强度， $\varepsilon$ 是材料介电常数。

光生载流子速率

假设：单位体积被吸收的光子数等于生成的电子空穴对数量。则有，单位体积单位光源功率下光生载流子速率为：
$\begin{equation} G_{opiunit}=\frac{P_{a b s}/hv}{Source{intensity}} \end{equation}$ $S o u r c e i n t e n s i t y$ 是输入光源强度单位为 $W$ 。 $G_{opiunit}$ 单位为 $1 / m^{3} / s$ 。
联合Nuwa TCAD 2D电学仿真时，需要将单位体积光生载流子速率沿光场传播方向取平均得到单位面积速率分布 $G_{opiS}$ ，单位为 $1 / m^{2} / s$ 。

短路电流

通过仿真，可以得到在理想情况下，光吸收产生的短路电流，该电流可以与实验数据对比分析，作为参考依据：
$\begin{equation} I_{gen}={e\int_{S} G_{opiunit} \cdot d S} \end{equation}$

其中， $I_{gen}$ 单位为 $A$ ， $e$ 是电子电荷， $S$ 是截面面积。

四、光电联合仿真的结果展示

首先，在Macondo软件中模拟波导模式光源注入，倏逝场耦合进入Ge材料的场分布，如图7所示。

图7. 各截面处光场分布

图8为波导中的场分布，可以看到光通过Taper结构后，平板波导中的光场逐渐减小。

图8. xy截面光场分布

然后，通过第三节中的光吸收功率的计算方式，得到Ge材料三维区域中的光吸收功率分布，如图9所示。

图9. 不同切面下的吸收功率

接下来，通过第三节中的光生载流子速率的计算方式，在加工光生载流子速率时，单位体积被吸收的光子数等于生成的电子空穴对数量，因此可以通过积分光吸收功率得到光生载流子速率。再沿着光场传播方向取平均，加工得到Ge体材料区域的二维yz平面的平均光生载流子速率分布，得到图10中的结果。

图10. yz平面平均光生载流子速率分布

接下来，在Nuwa TCAD中进行电学的仿真，建立相应场景后，模拟无光照时的暗电流，带入Macondo软件仿真的光生载流子速率分布结果进行光电流的仿真，得到图11中的结果。

图11. 光电流和暗电流曲线

最后，将小信号扰到添加到DC的光电流仿真中，得到光电探测的响应度和3dB 带宽，如图12所示。

图12. 光电探测的响应度和3dB 带宽

本文中去除了缺陷复合模型（Trap recombination）、高场迁移率模型（High field mobility model）等模型，在实际应用中需与实验进一步校准和调整。

五、总结

本文主要通过Macondo 软件与NuwaTCAD 软件实现的光电联合仿真，研究Ge/Si VPD的暗电流、光电流、响应度、和3 dB 带宽等特性参数。通过Macondo 软件的FDTD 求解器，得到光电探测器的吸收功率、光生载流子速率分布等，带入到Nuwa TCAD进行后续电学的仿真。本文展示了一个典型的光电探测器类型联合仿真的案例，可以参照此案例中的联合仿真方法，实现包括Ge/Si APD、CIS 中光电二极管等器件的模拟与优化。后续还将结合链路仿真工具，实现Ge/Si VPD的信号传输速率、传输质量的仿真。

参考文献

[1] Liow, Tsung-Yang, et al. "Silicon modulators and germanium photodetectors on SOI: monolithic integration, compatibility, and performance optimization." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 16.1 (2009): 307-315.
[2] 刘智, and 成步文. "硅基锗 PIN 光电探测器的研究进展." Semiconductor Optoelectronics 43.2 (2022): 261-266.
[3] Chrostowski L, Hochberg M. Silicon photonics design: from devices to systems[M]. Cambridge University Press, 2015.
[4] Ansys Optics, ANSYS, https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042957893-Vertical-photodetector.