垂直鍺硅光電探測(cè)器完整的器件級(jí)多物理仿真

01 說明

本示例描述了垂直鍺硅光電探測(cè)器完整的器件級(jí)多物理(光學(xué)、電學(xué))仿真，并生成集成模型用于INTERCONNECT進(jìn)行光電鏈路仿真。案例還提供了一個(gè)自動(dòng)化的工作流，用于自動(dòng)運(yùn)行器件級(jí)仿真并為CML Compiler收集數(shù)據(jù)以生成集成模型。在本例中計(jì)算得到了暗電流和光電流、響應(yīng)度、帶寬和眼圖等關(guān)鍵結(jié)果。

02 綜述

本示例參考自T.-Y Liow等人[1]的論文，波長(zhǎng)1.55μm的光照射在硅上鍺垂直光電探測(cè)器上，通過錐形結(jié)構(gòu)從硅波導(dǎo)饋入鍺吸收層，該輸入光信號(hào)將在鍺層中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，隨后在光電探測(cè)器中的內(nèi)部電場(chǎng)下分離，并流向形成電荷電流的電觸點(diǎn)。針對(duì)上述過程的仿真模擬，本例將使用FDTD求解器用于模擬探測(cè)器的光學(xué)性能，用CHARGE求解器仿真器件的電學(xué)性能。在完成器件級(jí)仿真后，將所得的結(jié)果導(dǎo)入INTERCONNECT中生成集成模型，用于進(jìn)行光電子鏈路的模擬并獲得眼圖。

步驟1：

使用3D FDTD采用mode光源對(duì)1.55μm波長(zhǎng)的光進(jìn)行的詳細(xì)電磁學(xué)仿真，計(jì)算通過錐形結(jié)構(gòu)并進(jìn)入探測(cè)器的傳播光場(chǎng)，得到鍺層內(nèi)的場(chǎng)分布，用于計(jì)算吸收分布和光發(fā)生率。然后，將光生成速率導(dǎo)入CHARGE中，以模擬電學(xué)仿真。因?yàn)槠淠Ｊ椒植荚诠ぷ鞑ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)相對(duì)恒定，所以只使用了單一頻率點(diǎn)對(duì)窄帶器件進(jìn)行了仿真模擬。

在這種結(jié)構(gòu)中，由于鍺是吸收層，因此如左圖所示，案例中的計(jì)算分析組中的監(jiān)視器(黃色框)包圍著鍺層(如左圖所示)。如右圖所示，是沿傳播方向(x)的任意橫截面處的可視化電場(chǎng)分布。軟件通過計(jì)算分析組內(nèi)的腳本，對(duì)沿探測(cè)器長(zhǎng)度對(duì)其數(shù)值進(jìn)行平均，這樣可將3D-FDTD計(jì)算所得的光場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入CHARGE中進(jìn)行2D仿真。

步驟2：

使用CHARGE模擬穩(wěn)態(tài)和交流小信號(hào)模式，以獲得電流、響應(yīng)度和帶寬。首先禁用光場(chǎng)導(dǎo)入(沒有光能量輸入)以獲得穩(wěn)態(tài)下的暗電流，然后啟用光場(chǎng)導(dǎo)入(輸入光能量)以獲得光電流和響應(yīng)度。由于光電探測(cè)器沿其長(zhǎng)度相對(duì)均勻，因此3D-FDTD中，沿長(zhǎng)度方向光的生成速率較為平均，這允許在CHRAGE只進(jìn)行2D截面仿真，以減少仿真所需的時(shí)間;最終仿真所得的暗電流和響應(yīng)度將在步驟3中用于光電鏈路的仿真。

此外，在CHARGE中模擬具有DC和AC分量的光源可求得光電探測(cè)器的3dB帶寬，所得的3dB帶寬將作為器件的一個(gè)參數(shù)，用于后續(xù)的系統(tǒng)級(jí)光電鏈路的仿真。

a.穩(wěn)態(tài)仿真

CHARGE 中模擬的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

將偏壓設(shè)置為-1V進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，獲得暗電流。然后啟用光場(chǎng)導(dǎo)入，運(yùn)行仿真得到光電流和響應(yīng)度，將結(jié)果歸一化后，如下圖所示。結(jié)果表明在 -1 V 反向偏壓下的響應(yīng)度0.95 A/W，這與參考論文中的結(jié)論非常吻合。

光電流

響應(yīng)度

b.交流小信號(hào)光帶寬

在該分析中，將小信號(hào)擾動(dòng)施加到直流光發(fā)生率上，記錄并分析小信號(hào)頻率與光電探測(cè)器的響應(yīng)(光電流)之間的關(guān)系。修改導(dǎo)入光場(chǎng)的比例因子(強(qiáng)度)，使直流電流接近參考文獻(xiàn)中的峰值脈沖電流(約 0.1 mA)。經(jīng)過仿真計(jì)算后，如下圖所示，在-1V反向偏壓下，光電探測(cè)器的帶寬約為4GHz，該結(jié)果與參考文獻(xiàn)的結(jié)論相符。

步驟3

利用之前步驟的仿真結(jié)果，在INTERCONNECT中創(chuàng)建光電探測(cè)器的集成模型，并搭建相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行光電鏈路仿真。最終搭建的光電鏈路如下圖所示，主要包含：功率為0.12 mW、波長(zhǎng)為1.55μm的CW激光光源;模擬光源振幅隨機(jī)變化的比特序列生成模塊;以及0.95 a/W響應(yīng)度、4 GHz帶寬和0.34 uA暗電流驅(qū)動(dòng)的光電探測(cè)器;最后通過截止頻率等于探測(cè)器帶寬的RC低通濾波器來模擬探測(cè)器的有限帶寬。

光電探測(cè)器的集成模型及仿真測(cè)試鏈路

2.5Gb/s、10Gb/s和25Gb/s下的眼圖結(jié)果

審核編輯：湯梓紅