锗波导光电二极管寄生参数工程系统分析与优化研究

逍遥设计自动化

引言
本文通过分析寄生参数工程方法，系统研究锗波导光电二极管的发展。研究包含器件结构优化、性能表征方法和运行参数的定量分析[1]。
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# D$ i. D* g' \$ G0 [图1展示了传统锗光电二极管的标准横截面结构和等效线路模型，详细显示了结构组件和电学特性的标准测量框架。
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' ]( v5 X5 Y0 r, B# f+ T; s, v/ V理论基础
( t* \6 ]. `% `$ \7 ]* t. c+ `硅基光电子技术在大容量数据通信应用中具有定量优势。近红外波段（1550纳米）信号检测涉及多个技术要求，包括带宽优化、响应度维持、暗电流最小化和CMOS工艺兼容性。材料选择标准包括吸收系数优化、工艺集成能力、热稳定性要求和成本效益指标。

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图2展示了全面结构分析，包括(a) 优化后PD-A的三维示意图，(b) 显示P++掺杂实现的横截面分析，(c) 带电感器的PD-A/B显微图像，(d) 参考PD-REF结构的对比显微检查。

寄生参数工程方案
研究方法建立了系统分析方案，通过几何依赖性评估、掺杂分布影响评估和偏置电压影响量化来分析结电容。串联电阻优化包括接触电阻最小化策略和掺杂浓度优化方法。

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  N. H% ^8 K7 i0 z: T图3提供了(a) 带宽随Rs和Lp参数变化的仿真结果，以及(b) Rs随P型掺杂浓度变化的计算结果的定量分析，建立了关键设计参数间的数学关系。
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. O. ~& g! {! k/ c5 T性能表征方法
  k  Q; m8 d" A  }7 B& d( o实验方案实施了全面的测量策略，包括暗电流表征和光电流响应分析的静态测量。动态响应分析涵盖10 MHz至70 GHz的S参数测量和频率响应表征。

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, g! T5 l3 `( q( l) ~图4展示了在受控暗态和照明条件下的全面I-V特性分析，验证了优化过程中电学性能的保持。

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  g' Z9 G: E& n. ^图5通过测量和拟合带宽特性展示了详细的频率响应分析，量化了系统优化程序带来的性能提升。

优化结果分析
定量性能指标显示带宽从27 GHz提升到80 GHz，提升296%。电学特性在-3V标称工作电压下保持0.89 A/W的响应度，暗电流为6.4 nA。

方法局限性
研究限制包括70 GHz以上频率表征设备限制、温度范围限制和长期稳定性评估限制等测量限制。制造考虑因素包括工艺变化影响、材料界面质量控制和热预算限制。
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8 U  E; m- ?" A0 F2 _, I4 Q6 |未来研究方向
后续研究方案应通过扩展带宽测量方法和先进材料集成策略来处理技术进展。性能提升机会存在于暗电流降低机制和热稳定性优化方面。
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9 o% [2 _! F! x$ K% ~结论
! X; h5 k# |* y! \1 d/ Q/ P0 E2 f本系统分析为锗光电二极管优化中的寄生参数工程方法提供了定量验证。研究为后续高速光检测器发展提供了结构化框架，强调了综合参数优化策略。建立的方法框架通过严格的参数优化方案推动了集成光子系统发展的系统性进展。
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参考文献
& f4 z3 ?4 ]( H! {4 \. u[1] Y. Shi, D. Zhou, Y. Yu, and X. Zhang, "80 GHz germanium waveguide photodiode enabled by parasitic parameter engineering," Photonics Research, vol. 9, no. 4, pp. 605-609, Apr. 2021, doi: 10.1364/PRJ.416887.

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