读者投稿 | 半导体光探测器的自动化智能设计

逍遥设计自动化

引言
! m) H* N; [( H半导体光探测器将入射光信号转换成电信号，被广泛应用于光通信等需要宽带、高效率、低暗电流的场景。然而，光电探测器的一个关键瓶颈是带宽和量子效率之间的限制，目前已经提出了不同的设计方案来克服这一挑战，一个成功的解决方案是改进型单行载流子光电探测器（MUTC-PD）。该结构通过在InP漂移层和p型InGaAs吸收层之间插入未掺杂的InGaAs层来设计。通过优化层厚，可以获得更高的带宽和响应性。
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在MUTC-PD的设计过程中，混合吸收区的总厚度保持不变，通过适当选择两种吸收层的厚度比，可以使带宽最大化。由于光探测器层结构比较复杂，仅通过人工扫描每层的厚度和掺杂浓度很难找到相应的层结构来实现最大带宽。另一方面，每次数值计算大约需要几分钟。如果精确扫描每一层的厚度和掺杂浓度，这一工作量将需要大量的时间，并且在大多数情况下不会找到最优结构。因此，传统的扫描方法不能考虑整体结构的协同效应，难以发挥器件性能的潜力。
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为了在不降低响应度的同时进一步提高光探测器的带宽，北京邮电大学电子工程学院（信息光子学与光通信全国重点实验室）研究团队[1] 提出了MUTC-PD的自动化智能设计方案，并结合电荷控制原理计算带宽，如图1所示。同时采用基于变速攀升粒子群优化算法（VVCPSO），能够快速高效地计算出相应的层结构，实现最大带宽，最大限度地发挥器件的性能潜力。

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图1 光探测器自动化智能设计过程

8 Y' B  i; ^9 P! ^% w2 k电荷控制原理
- {5 v8 I5 ^8 B如图2所示，以混合吸收区中有两种掺杂浓度为例，MUTC-PD中的电流主要有三个来源：厚度为Wan的p型吸收区产生的电子电流Je1 (ω, x)；厚度为Wad的耗尽吸收区中产生的电子电流和空穴电流Je2(ω, x)和Jh (ω, x)。只要Je1(ω, x)和Je2(ω, x)之和的响应快于Jh (ω, x)，则加入p型吸收体可以改善总响应。这是因为最终的传输时间是由缓慢的载体决定的，所以添加p型吸收区保证在不增加传输时间的情况下提高响应性。
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图2 MUTC-PD的能带结构示意图

将上述三个电流分量Je1(ω, x)、Je2(ω, x)和Jh(ω, x)在耗尽层上积分，得到各部分的电流响应如下：

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% L0 d. I4 ]+ l% z式中Ran(ω)为p型吸收区的电子注入电流响应，ve和vh分别为电子和空穴饱和速度，Wdep为总耗尽厚度。假设ve和vh是常数。我们考虑具有扩散运动的少数电子的Ran(ω)：
, I) Q6 t2 J( t1 U/ Q

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对于恒定掺杂和均匀载流子产生率的情况，延迟时间τan是扩散率De和热离子发射速度vth的函数，近似为：
' D: {- U$ I( M9 b% ~* T

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总的电流响应为以上四部分之和：
9 S" a$ J, G- N0 O8 c$ X

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MUTC-PD的自动化智能设计结果
5 t9 t& m7 v4 [+ X- l1 ?5 [在整个自动化设计的过程中，我们采用VVCPSO算法，我们将算法的FOM设置为带宽，其表达式为：

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. t$ Q( A6 O/ B6 D1 |8 m, G其中I为上述电荷控制原理求解的电流。
0 C: I1 C: f/ O- ?$ ?
采用VVCPSO算法优化的MUTC-PD有8层。优化前后各层的材料、厚度和掺杂浓度如表1所示。PD工作于反向偏置（Vbias = - 3 V），并由1310 nm连续波激光照射，其直径为16 μm。

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0 T" h) T3 [$ Z1 P表1 优化前后层结构对比

7 m, p+ J4 Q8 P* F! [% y% S( ^7 |为了验证该方法的有效性和准确性，研究了优化前后MUTC-PD的带宽性能。
+ n8 [5 q- l9 c5 p
如图3(a)所示，我们可以看到优化前器件的带宽约为20 GHz，经过1500次计算，我们将相同材料分布的器件的总带宽提高到60 GHz，从而使带宽性能提高了三倍。图3(b)显示了MUTC-PD的响应特性。由于优化前后的混合吸收器总宽度为0.4μm，因此响应率保持不变。可以看出，器件的响应度约为0.52 A/W。通过以上研究，证明了该方法在优化设备带宽方面的应用价值。该结构可以作为800G系统的关键接收器件。
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图3 (a)优化前后器件带宽(b) MUTC-PD的响应特性

总结
* U8 N7 g6 p& r6 S$ U9 v& O$ t本文提出了一种基于电荷控制原理的MUTC-PD自动化智能设计方法。通过数值结果与仿真结果的比较，表明该方法可以近似并快速估计出MUTC-PD的最大带宽。通过自动化设计，我们将MUTC-PD的带宽提高了三倍。此外，该方法的计算速度比仿真软件快1800倍左右，因此可以进行广泛的参数研究以优化器件性能。这种方法能够极大提高设计效率，探索器件的极限性能，对光电探测器的研究起着重要的作用。

参考文献
[1] Junjing Huang, Xiaofeng Duan, Kai Liu, Yongqing Huang, and Xiaomin Ren, "Automated intelligent design of modified uni-traveling carrier photodectors," Optics Express 32, 18843-18857 (2024).
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