Simulación de un fotodiodo PIN de InGaAs/InP con una longitud de onda de 1550 nm.
En este tutorial, utilizamos OghmaNano para simular un fotodiodo PIN de InGaAs/InP de 1550 nm, un fotodetector semiconductor diseñado para convertir la luz infrarroja cercana en corriente eléctrica. Los fotodiodos de InGaAs se utilizan ampliamente en las comunicaciones por fibra óptica, la detección óptica, las telecomunicaciones y la detección infrarroja cercana, especialmente en longitudes de onda de alrededor de 1310 nm y 1550 nm. El dispositivo que se considera aquí, que se muestra en ??, consiste en una capa absorbente de InGaAs de banda prohibida estrecha, situada entre capas semiconductoras de InP de banda prohibida más amplia. A 1550 nm, el InGaAs absorbe los fotones incidentes de manera eficiente, mientras que el InP es en gran medida transparente, lo que permite que la luz llegue a la región absorbente.
El dispositivo utiliza una estructura p–i–n, en la que una capa de InGaAs intrínseca se sitúa entre una capa de InP de tipo p y una de tipo n. El campo eléctrico interno, junto con una polarización inversa aplicada, separa los electrones y las huecos generados por la luz y los transporta hacia los contactos eléctricos. Esto produce una fotocorriente medible que es proporcional a la potencia óptica incidente dentro del rango de funcionamiento lineal del dispositivo. La estructura proporciona un ejemplo útil de la modelización de heterouniones semiconductoras de III–V, combinando la absorción óptica, el transporte de portadores de carga y la alineación de las bandas de energía del semiconductor en un único dispositivo.
Comenzaremos cargando una simulación preconfigurada de un fotodiodo InGaAs/InP de la biblioteca de ejemplos de OghmaNano, lo que nos permitirá analizar el dispositivo sin tener que construirlo desde cero. Utilizando la modelización de la matriz de transferencia óptica y la simulación de deriva-difusión, calcularemos la distribución espacial de la generación óptica, examinaremos los diagramas de las bandas de conducción y valencia, e investigaremos cómo la polarización inversa influye en el campo eléctrico interno y en la recolección de portadores. A continuación, compararemos las características de corriente-voltaje (J-V) en condiciones de oscuridad e iluminación y calcularemos la fotoresponsividad del fotodiodo en A/W. Por último, exploraremos cómo los cambios en el grosor del absorbente, la longitud de onda de la iluminación y el voltaje aplicado afectan al rendimiento del dispositivo.
1. Introducción: Fotodiodos de InGaAs y detección a 1550 nm.
Un fotodiodo PIN de InGaAs convierte la luz infrarroja cercana incidente en una corriente eléctrica al absorber fotones y generar pares electrón-hueco. Estos dispositivos se utilizan ampliamente en las comunicaciones por fibra óptica, las telecomunicaciones y la detección infrarroja, especialmente en longitudes de onda de 1310 nm y 1550 nm. En este tutorial, nos centraremos en un fotodiodo diseñado para detectar la luz de 1550 nm, una de las longitudes de onda principales que se utilizan en los sistemas modernos de comunicación óptica.
La elección de los materiales semiconductores es especialmente importante para los fotodiodos que funcionan a esta longitud de onda. Para que un fotón sea absorbido mediante una transición directa entre bandas, su energía debe ser al menos igual a la banda prohibida del semiconductor. La energía de un fotón se calcula mediante la siguiente fórmula:
\[ E_{\mathrm{ph}}=\frac{hc}{\lambda} \approx 0.80\ \mathrm{eV} \qquad (\lambda=1550\ \mathrm{nm}). \]
Como se muestra en ??, el fosfuro de indio (InP) tiene una banda prohibida a temperatura ambiente de aproximadamente 1,34 eV. Dado que la energía de un fotón de 1550 nm es menor que esta banda prohibida, no puede excitar un electrón directamente desde la banda de valencia hacia la banda de conducción. En consecuencia, el InP es en gran medida transparente a esta longitud de onda, lo que lo hace adecuado para las capas que actúan como ventana por la que la luz entra en el fotodiodo.
En cambio, el In0,53Ga0,47As, que presenta una concordancia de red cristalina, tiene una banda prohibida mucho menor, de aproximadamente 0,74 a 0,75 eV. Por lo tanto, un fotón de 1550 nm tiene suficiente energía para excitar un electrón y hacerlo pasar a la banda de conducción, dejando un hueco en la banda de valencia. Este proceso genera los pares electrón-hueco que producen la respuesta eléctrica del fotodiodo. Las diferentes bandas prohibidas del InP y el InGaAs permiten, por lo tanto, que el dispositivo combine capas de ventana semiconductora transparente con una región de InGaAs que absorbe fuertemente la luz. Los límites exactos de la banda simulada dependen de los parámetros del material seleccionados en OghmaNano.
El dispositivo utiliza una estructura semiconductora p–i–n, que consta de InP de tipo p, un absorbente de InGaAs intrínseco y InP de tipo n. El bajo nivel de dopaje de la región intrínseca permite que la región de agotamiento se extienda por gran parte del absorbente. Al aplicar una polarización inversa, se aumenta el campo eléctrico dentro de esta región, lo que impulsa los electrones y las huecos fotogenerados hacia los contactos opuestos. La fotocorriente resultante proporciona una medida de la intensidad óptica incidente.
2. Abrir la simulación predefinida y comprender su estructura.
Para empezar, abra OghmaNano y haga clic en «Nueva simulación» en la pestaña «Archivo». Esto abrirá la biblioteca de simulaciones, que se muestra en ??. Haga doble clic en «Ejemplos de GaAs» para abrir los ejemplos disponibles de dispositivos semiconductores III-V (??). Seleccione el fotodiodo PIN de InGaAs/InP (1550 nm), elija un directorio de destino y haga clic en «Guardar». OghmaNano creará una nueva simulación que contendrá la estructura completa del fotodiodo, los parámetros de los materiales, la iluminación óptica y la configuración de la simulación eléctrica.
La ventaja de comenzar con una configuración predefinida es que el dispositivo está listo para realizar la simulación sin necesidad de construirlo desde cero. Una vez cargada, la ventana principal de OghmaNano muestra el fotodiodo PIN de InGaAs/InP en la pestaña de estructura del dispositivo (??). Las flechas verdes representan la luz incidente, mientras que las capas de colores muestran la estructura del semiconductor. Este ejemplo utiliza un modelo eléctrico unidimensional de un fotodiodo plano, y el dispositivo se ilustra en tres dimensiones para facilitar su visualización.
2.1 Estructura del dispositivo y capas semiconductoras.
El fotodiodo consta de cuatro capas semiconductoras dispuestas desde la superficie iluminada hasta el contacto posterior. El dispositivo contiene un absorbente intrínseco de InGaAs de 2 µm, situado entre capas de InP de tipo p y de tipo n. El InP, que tiene una banda prohibida más amplia, permite que la luz de 1550 nm llegue al absorbente de InGaAs, al tiempo que proporciona la unión semiconductora y las regiones de contacto eléctrico. La estructura de las capas se resume a continuación.
| Capa | Material | Grosor | Dopaje (m−3) | Función |
|---|---|---|---|---|
| p+ | InP | 200 nm | 1 × 1024 receptores | región de ventana y de contacto de tipo p |
| yo | In0,53Ga0,47As | 2,0 µm | Sin dopar. | Absorción óptica y generación de portadores de carga. |
| n | InP | 200 nm | 3 × 1022 donantes | región de unión de tipo n |
| n+ | InP | 100 nanómetros | 1.024 donantes | Región de contacto posterior con alta concentración de impurezas. |
Para examinar la estructura, haga clic en el botón del editor de capas que se encuentra en el lado izquierdo de la pestaña Estructura del dispositivo. El editor (??) muestra el grosor, el material óptico y el tipo de simulación de cada capa. En este ejemplo, las propiedades ópticas de InP e InGaAs se obtienen de los modelos de materiales ópticos de Adachi en la base de datos de materiales de OghmaNano materials database. Estos modelos proporcionan el índice de refracción y el coeficiente de extinción, que varían según la longitud de onda y que utiliza el solucionador óptico.
El absorbente de InGaAs se encarga de convertir los fotones incidentes de 1550 nm en pares electrón-hueco. Su banda prohibida relativamente pequeña le permite absorber esta luz infrarroja cercana, mientras que las capas circundantes de InP tienen una banda prohibida más amplia y son, en gran medida, transparentes a la longitud de onda de funcionamiento. El absorbente no está dopado, lo que permite que se desarrolle un campo eléctrico considerable en su interior cuando el fotodiodo está polarizado inversamente. Este campo separa los electrones y los huecos generados por la luz y los transporta hacia los contactos opuestos.
2.2. Perfil de dopaje, composición de la aleación y parámetros de los materiales eléctricos.
Las propiedades eléctricas del fotodiodo PIN de InGaAs/InP dependen en gran medida de las concentraciones de dopaje, la composición del semiconductor y los parámetros del material. Abra la pestaña de propiedades eléctricas y seleccione Dopaje/Iones para examinar el perfil de dopaje (??). La capa de InP tipo p+ contiene una concentración de aceptores de 1 × 1024 m−3, mientras que la región de InP tipo n contiene 3 × 1022 m−3 de donantes. El contacto de InP tipo n+ está más fuertemente dopado, con 1 × 1024 m−3 de donantes.
Observe que la región central de InGaAs no contiene dopantes añadidos intencionadamente. La configuración resultante p–i–n hace que la región de agotamiento se extienda principalmente a través del absorbente de InGaAs. Esto es deseable para los fotodiodos, ya que el campo eléctrico ayuda a separar los pares electrón-hueco generados fotoeléctricamente y a transportar las cargas hacia sus respectivos contactos antes de que se recombinen. Por lo tanto, el perfil de dopaje desempeña un papel importante en la determinación del campo eléctrico intrínseco, la recolección de cargas y las características de polarización inversa del dispositivo.
El material absorbente de InGaAs es una aleación semiconductora ternaria, no un compuesto puro. Su composición es In0,53Ga0,47As, que presenta una concordancia de red cristalina aproximada con el InP. Para examinar la composición de la aleación, abra el editor de gradientes/deformación desde la cinta de opciones de Electricidad (??).
El gráfico muestra que la variable de composición «x» se mantiene en 0,53 en toda la capa de InGaAs y es cero fuera de ella. En este ejemplo, «x» representa la fracción de indio, mientras que la fracción de galio es 1 − x = 0,47. La composición es uniforme en todo el absorbente, aunque OghmaNano también permite definir gradientes de composición. Modificar la composición de la aleación afecta a las propiedades del material, como la banda prohibida, la movilidad de los portadores y la alineación de las bandas del semiconductor, y, por lo tanto, puede influir tanto en la absorción óptica como en el transporte eléctrico.
Además del dopaje y la composición de la aleación, el comportamiento eléctrico del fotodiodo depende de los parámetros del material semiconductor, como la banda prohibida, la afinidad electrónica, las densidades de estados efectivas, las movilidades de los portadores y los coeficientes de recombinación. Estos parámetros determinan los desplazamientos de las bandas de conducción y valencia en las heterouniones InP/InGaAs e influyen en la eficiencia con la que los electrones y las huecos se mueven a través del dispositivo.
Para examinar estas propiedades, vuelva a la ventana principal de OghmaNano, seleccione la pestaña «Estructura del dispositivo» y haga clic en «Parámetros eléctricos» en la barra de herramientas de la izquierda. Esto abrirá el editor de parámetros eléctricos Editor de parámetros eléctricos (??). El editor contiene una pestaña independiente para cada capa semiconductora, lo que permite examinar de forma independiente las propiedades de las regiones p+ InP, InGaAs intrínseca, InP de tipo n e InP de tipo n+.
En este ejemplo, las propiedades eléctricas del material se obtienen de OghmaNano. base de datos de materiales eléctricosEn lugar de simplemente almacenar valores numéricos fijos, la base de datos contiene Modelos de materiales en Lua que calculan las propiedades de los semiconductores en función de variables como la temperatura y la composición de la aleación. Editor de código. muestra el script de Lua asociado al material seleccionado, mientras que Parámetros pestaña: permite inspeccionar las propiedades numéricas correspondientes del material.
Una de las ventajas de utilizar la base de datos de materiales eléctricos es que las propiedades de los semiconductores pueden variar en función de la temperatura y la composición de la aleación, en lugar de considerarse constantes fijas. Por ejemplo, el modelo de material InP que se muestra en ?? calcula la banda prohibida en función de la temperatura utilizando la ecuación de Varshni:
\[ E_g(T)=E_g(0)-\frac{\alpha T^2}{T+\beta} \]
Aquí, \(E_g(0)\) representa la banda prohibida a temperatura cero, mientras que \(\alpha\) y \(\beta\) son parámetros que dependen del material. El modelo de material InP utiliza esta relación para calcular una banda prohibida de aproximadamente 1,35 eV a 300 K. El modelo de material InGaAs puede describir de manera similar las propiedades que dependen de la composición, lo que permite que los cambios en la fracción de indio influyan en la estructura de banda del semiconductor simulado.
Estas relaciones entre los materiales son especialmente importantes para las heterouniones de semiconductores III-V. Las diferencias en la banda prohibida y la afinidad electrónica entre el InP y el InGaAs producen discontinuidades en las bandas de conducción y valencia. Estos desplazamientos de banda pueden influir en la inyección, extracción y recombinación de portadores. Examinaremos los diagramas de banda resultantes más adelante en este tutorial.
💡 Consejo: OghmaNano permite modificar los parámetros individuales de los materiales eléctricos y establecer valores específicos de forma manual. Cuando se modifica un parámetro, este ya no sigue el modelo de material Lua correspondiente. Por ejemplo, si se modifica el valor de la banda prohibida de InGaAs estableciendo un valor fijo, cambiar la composición de la aleación no actualizará automáticamente ese valor de la banda prohibida. Para restablecer la relación con la base de datos de materiales, desactive la modificación.
3. Ejecutar la simulación y analizar las características de la curva corriente-tensión (J–V).
Para ejecutar la simulación del fotodiodo PIN de InGaAs/InP, haga clic en el botón azul. Ejecutar simulación. botón en el Archivo cinta, o presione F9. Abre Terminal pestaña para seguir el progreso del cálculo (??). El ejemplo ya está configurado con las capas semiconductoras, los parámetros de los materiales y la iluminación óptica adecuados, por lo que no es necesario realizar ninguna configuración adicional antes de ejecutarlo.
OghmaNano comienza realizando un cálculo óptico para determinar cómo se absorbe la luz incidente de 1550 nm en las capas semiconductoras y calcular la consiguiente generación de pares electrón-hueco. Una vez finalizado el cálculo óptico, el programa inicia un barrido de corriente-voltaje (I-V), aplicando una serie de voltajes al fotodiodo y calculando la densidad de corriente eléctrica resultante.
Para cada voltaje aplicado, OghmaNano resuelve la ecuación de Poisson junto con las ecuaciones de deriva-difusión y de continuidad para electrones y huecos. La tasa de generación óptica proporciona la fuente de portadores fotogenerados dentro del modelo eléctrico. Para obtener más información, consulte la sección teoría del modelado de deriva-difusión y la sección modelo de matriz de transferencia óptica.
La terminal muestra el voltaje aplicado a los contactos superior e inferior, junto con la densidad de corriente calculada en A m−2. El valor etiquetado como top= indica el voltaje aplicado al contacto superior, mientras que btm= indica el voltaje en el contacto inferior, que se mantiene en 0 V. La cantidad f()= es el residuo numérico del solucionador eléctrico, que indica en qué medida la solución calculada satisface las ecuaciones del semiconductor.
En este ejemplo, el voltaje varía desde aproximadamente −2 V hasta +0,5 V, abarcando tanto el funcionamiento con polarización inversa como con polarización directa. Observe que la densidad de corriente generada por la luz se mantiene aproximadamente constante en −6,12 A m−2 en gran parte de la región de polarización inversa. Esta es una característica típica de un fotodiodo PIN cuando los electrones y los huecos fotogenerados se recogen de manera eficiente mediante el campo eléctrico interno.
A medida que el voltaje aplicado se vuelve positivo, la corriente directa del diodo aumenta rápidamente, superando finalmente la fotocorriente (??). Una vez que se completa el cálculo, seleccione la pestaña de Resultados (??). En ella se mostrarán los archivos generados por la simulación, incluidos los parámetros eléctricos J–V, los resultados ópticos, la información de la simulación y las imágenes instantáneas con resolución espacial.
jv.csv para analizar la curva característica de corriente y voltaje, o abra snapshots para examinar las magnitudes eléctricas resueltas espacialmente.3.1 Análisis de la curva corriente-voltaje (J–V) iluminada.
Para analizar el comportamiento eléctrico del fotodiodo, haga doble clic en jv.csv en la pestaña de resultados. Esto abrirá la curva característica de densidad de corriente iluminada en función del voltaje (??). El gráfico muestra la densidad de corriente que circula por el dispositivo en función del voltaje aplicado. La corriente negativa que se produce cuando se aplica una polarización inversa sigue la convención de signos utilizada por OghmaNano.
La curva J–V iluminada presenta dos regiones distintas. Bajo polarización inversa, la densidad de corriente se mantiene aproximadamente constante en −6,12 A m−2. Esto indica que aumentar la tensión inversa produce una cantidad relativamente pequeña de fotocorriente adicional, lo que es coherente con una recolección eficiente de los portadores fotogenerados.
Cuando se aplica una polarización directa, la corriente aumenta rápidamente a medida que los electrones y las «huecos» se inyectan a través de la unión. El aumento exponencial resultante es característico del comportamiento de los diodos semiconductores. Aunque el mismo dispositivo puede funcionar con polarización directa o inversa, los fotodiodos utilizados para la detección óptica suelen funcionar con polarización inversa para mejorar la recolección de portadores y la velocidad de respuesta.
3.2. Comparación de las características de la curva J–V en condiciones de iluminación y en la oscuridad.
Ahora podemos investigar qué proporción de la corriente eléctrica se debe a la luz incidente. Para ello, repetiremos la simulación con la iluminación desactivada y compararemos las curvas características J–V resultantes en condiciones de oscuridad y con iluminación. Los dos resultados se muestran en ?? y ??.
Seleccione la pestaña «Óptica» en la ventana principal de OghmaNano (??). Localice el control etiquetado como «Intensidad de la luz (Soles)». Aunque la interfaz utiliza la palabra «Soles», este control funciona como un multiplicador para el espectro de la fuente de luz seleccionada. No significa necesariamente que el dispositivo esté siendo iluminado con luz solar.
Por ejemplo, el espectro solar estándar AM1.5G tiene una irradiancia integrada de aproximadamente 1000 W m−2. Si se selecciona este espectro, un multiplicador de 1,0 corresponde a una unidad solar. Sin embargo, nuestro fotodiodo InGaAs/InP utiliza un espectro láser de 1550 nm en lugar de la luz solar. Si el espectro láser tiene una irradiancia integrada de 10 W m−2, un multiplicador de 1,0 produce una densidad de potencia óptica incidente de 10 W m−2, y no de 1000 W m−2.
Para calcular característica J-V en la oscuridadcambiar Intensidad de la luz (en unidades solares) desde 1.0 hasta 0.0Esto desactiva la generación óptica de la fuente de luz seleccionada. Haga clic. Ejecutar simulación. de nuevo o pulse F9y espere a que finalice el cálculo.
Vuelva a la pestaña de resultados y haga doble clic en jv.csv para examinar la curva característica J–V en condiciones de oscuridad. Observe que la corriente inversa es ahora mucho menor que cuando el dispositivo está expuesto a la luz. El dispositivo sigue mostrando el aumento exponencial característico de la corriente directa, pero la corriente generada por la luz ya no está presente.
La diferencia entre la corriente generada con iluminación y la corriente generada en la oscuridad determina la densidad de fotocorriente producida por la absorción de los fotones incidentes:
\[ J_{\mathrm{ph}}(V) = J_{\mathrm{light}}(V)-J_{\mathrm{dark}}(V). \]
Aquí, \(J_{\mathrm{light}}\) representa la densidad de corriente fotogénerica, mientras que \(J_{\mathrm{dark}}\) es la densidad de corriente calculada sin iluminación, aplicando la misma tensión. El signo de la fotocorriente depende de la convención utilizada para la corriente, por lo que se utiliza su magnitud al calcular la responsividad.
La fotocorriente es aproximadamente proporcional a la potencia óptica incidente cuando el detector funciona en su régimen lineal. En consecuencia, un fotodiodo puede medir los cambios en la intensidad óptica mediante el control de la corriente eléctrica resultante. Esta relación se cuantifica mediante la responsividad del fotodiodo, que calcularemos más adelante en este tutorial.
La corriente de fuga muy pequeña y oscura que predice esta simulación refleja los mecanismos físicos incluidos en el modelo. Los fotodiodos reales de InGaAs/InP pueden presentar una corriente de fuga adicional causada por la generación y recombinación en el material, los defectos en la interfaz, las fugas superficiales y la generación de portadores asistida por el campo eléctrico. En consecuencia, la corriente de fuga calculada no debe interpretarse automáticamente como la corriente de fuga de un dispositivo fabricado.
Experimento: Modifique la intensidad de la iluminación. Restablezca el multiplicador de intensidad de la luz a 1,0 y registre la densidad de corriente inversa a -2 V. Repita el cálculo utilizando multiplicadores de 0,5 y 2,0. ¿Cómo cambia la fotocorriente?
Mostrar explicación.
Para un fotodiodo que funciona en su régimen lineal, la fotocorriente es aproximadamente proporcional a la potencia óptica incidente. Por lo tanto, reducir a la mitad la iluminación debería reducir aproximadamente a la mitad la fotocorriente, mientras que duplicar la iluminación debería duplicarla aproximadamente. La corriente total también incluye la corriente de fuga, por lo que la comparación debe realizarse utilizando \(J_{\mathrm{light}}-J_{\mathrm{dark}}\). Las desviaciones significativas de este comportamiento pueden indicar una recombinación no lineal, cambios en la recolección de portadores u otros efectos físicos.
3.3. Análisis de la información de la simulación.
sim_info.dat. OghmaNano muestra una serie de magnitudes eléctricas, aunque los parámetros de rendimiento fotovoltaicos, como el factor de llenado y la eficiencia de conversión de energía, no suelen ser relevantes para los fotodiodos polarizados inversamente.Además de la curva J–V, OghmaNano genera un archivo llamado sim_info.dat, que se puede abrir desde la pestaña de Resultados (??). Este archivo contiene un resumen de las magnitudes eléctricas calculadas durante la simulación, incluidos los voltajes característicos, las densidades de corriente, las concentraciones de portadores, las movilidades y otros parámetros del dispositivo.
Algunas de las magnitudes que se muestran en este archivo, como la densidad de corriente de cortocircuito, el voltaje de circuito abierto, el factor de llenado y la eficiencia de conversión de potencia, están diseñadas principalmente para simulaciones fotovoltaicas. Aunque OghmaNano puede calcular estas magnitudes para un fotodiodo, normalmente no se utilizan para caracterizar el rendimiento de un detector óptico polarizado inversamente. En el caso de los fotodiodos, las magnitudes más importantes incluyen la responsividad, la eficiencia cuántica externa, la corriente de fuga y la respuesta espectral.
En las siguientes secciones, analizaremos el perfil de generación óptica, los diagramas de bandas de energía y el transporte de portadores dentro del fotodiodo PIN de InGaAs/InP. A continuación, utilizaremos la fotocorriente y la potencia óptica incidente calculadas para determinar la sensibilidad del dispositivo a 1550 nm.
4. Análisis de la absorción óptica y modificación de la longitud de onda de la iluminación.
En la sección anterior, analizamos la respuesta eléctrica del fotodiodo PIN de InGaAs/InP cuando se expone a la luz. Ahora, estudiaremos cómo se propaga la luz a través de las capas semiconductoras y dónde se absorben los fotones incidentes. También modificaremos la longitud de onda de la luz para demostrar por qué este dispositivo es especialmente adecuado para la detección en el rango del infrarrojo cercano.
El ejemplo está configurado con un láser de 1550 nm, que corresponde a una longitud de onda utilizada habitualmente en las comunicaciones por fibra óptica. A esta longitud de onda, la energía del fotón es de aproximadamente 0,80 eV. Este valor es inferior a la banda prohibida de InP (aproximadamente 1,35 eV), pero superior a la de In0,53Ga0,47As con una estructura reticular compatible (aproximadamente 0,75 eV). En consecuencia, las capas de InP son en gran medida transparentes a la luz incidente, lo que permite que esta llegue al absorbente de InGaAs.
4.1 Observación de la absorción óptica y la generación de portadores.
Para analizar el comportamiento óptico del dispositivo, vuelva a la ventana principal de OghmaNano y seleccione la pestaña Óptica. Haga clic en Matriz de transferencia para abrir el editor de simulación óptica. En esta ventana se muestran los resultados del cálculo óptico y podrá examinar cómo interactúa la luz con las capas semiconductoras.
Seleccione la pestaña «Distribución de fotones absorbidos» (??). Esto mostrará la distribución de los fotones absorbidos en función de la longitud de onda y la posición dentro del dispositivo. El eje horizontal representa la posición a través de las capas semiconductoras, mientras que el eje vertical representa la longitud de onda de la luz incidente. La escala de colores indica la densidad local de fotones absorbidos.
Observe que los fotones absorbidos se concentran en torno a los 1550 nm, lo que corresponde al espectro láser estrecho. La absorción se produce principalmente en la capa de InGaAs, y no en la ventana de InP. Esto es precisamente lo que esperamos de un fotodiodo de InGaAs/InP diseñado para la detección en el infrarrojo cercano.
Ahora, seleccione la pestaña de la tasa de generación (??). Esto mostrará la tasa de generación resuelta espacialmente, G(y), en unidades de m−3 s−1. La tasa de generación describe el número de pares electrón-hueco que se crean por unidad de volumen por segundo.
El diagrama también muestra la estructura de la capa semiconductora y las energías de las bandas de conducción y valencia de los materiales, lo que permite relacionar directamente el perfil de generación óptica con las heterouniones InP/InGaAs. Observe el marcado aumento de la generación al principio de la capa de InGaAs, seguido de una disminución gradual a medida que la luz se propaga a través del absorbente.
Las oscilaciones en el perfil de generación se deben a la interferencia óptica que se produce en el interior de la estructura multicapa. La luz que se refleja en las interfaces del semiconductor interfiere con la luz que se propaga en la dirección original, lo que genera variaciones en la intensidad óptica y, por lo tanto, en la generación de portadores. Para un índice de refracción de aproximadamente 3,5, el período de interferencia característico es \(\lambda/(2n)\), que corresponde a unos 220 nm a una longitud de onda de 1550 nm.
El espectro láser seleccionado también se puede examinar volviendo a la ventana principal de OghmaNano y haciendo clic en Fuentes de luz en la cinta de opciones Óptica. Esto abre el editor de fuentes de luz (??). La fuente seleccionada es el láser de 1550 nm, con un multiplicador de intensidad de 1,0. Haga clic en Reconstruir para mostrar el espectro. Observe el pico estrecho centrado en 1550 nm, lo que explica por qué la absorción se produce en un rango de longitud de onda tan estrecho.
OghmaNano calcula el campo óptico dentro del dispositivo utilizando el método de la matriz de transferencia, teniendo en cuenta la reflexión, la transmisión y la interferencia en las interfaces del semiconductor. La energía óptica absorbida se convierte entonces en una tasa de generación resuelta espacialmente, que se transmite al solucionador de difusión por deriva eléctrica.
Para la iluminación monocromática, la tasa de generación puede relacionarse con la irradiancia óptica local mediante la siguiente fórmula:
\[ G(y,\lambda)= \frac{\alpha(\lambda)I(y,\lambda)}{hc/\lambda}, \]
donde \(\alpha\) es el coeficiente de absorción, \(I\) es la irradiancia óptica local, \(h\) es la constante de Planck y \(c\) es la velocidad de la luz. Para una fuente que emite múltiples longitudes de onda, se integran las contribuciones en todo el espectro. Se pueden consultar más detalles en la documentación del modelo de matriz de transferencia óptica.
4.2 Modificación de la longitud de onda de la iluminación.
Ahora analizaremos qué ocurre cuando se modifica sustancialmente la longitud de onda de la iluminación. Vuelva al editor de la fuente de luz y localice el menú desplegable «Espectro» en la pestaña «Fuente de luz». Cambie el espectro seleccionado de «láser de 1550 nm» a «thorlabs/565 nm», que representa un LED verde.
Deje el multiplicador de la fuente establecido en 1.0 y haga clic en «Reconstruir» para generar el nuevo espectro (??). Observe que el LED emite luz en un rango de longitudes de onda mucho más amplio que el láser, con un pico de emisión alrededor de los 565 nm.
Cierre el editor de fuentes de luz y vuelva al editor de simulación óptica haciendo clic en «Matriz de transferencia» en la cinta de opciones principal. Haga clic en «Ejecutar simulación óptica» para recalcular la absorción óptica utilizando la nueva fuente de luz. Seleccione la pestaña «Distribución de fotones absorbidos» para examinar el resultado (??).
El patrón de absorción es ahora muy diferente. A 565 nm, la energía del fotón es de aproximadamente 2,19 eV, lo que es superior a la banda prohibida del InP. En consecuencia, la luz incidente se absorbe fuertemente en la capa de InP tipo p+, cerca de la superficie iluminada. Muy poca luz llega al absorbente intrínseco de InGaAs.
Experimento: Compare la fotocorriente a diferentes longitudes de onda. Con el LED de 565 nm seleccionado, ejecute nuevamente la simulación eléctrica J–V y compare la corriente obtenida con polarización inversa con la que se obtuvo utilizando el láser de 1550 nm.
Para realizar una comparación cuantitativa significativa, primero asegúrese de que las dos fuentes de luz tengan la misma densidad de potencia óptica incidente integrada. De lo contrario, las diferencias en la fotocorriente podrían simplemente reflejar diferencias en la intensidad de la iluminación.
Mostrar explicación.
La ventana de InP es mayormente transparente a 1550 nm, lo que permite que los fotones lleguen al absorbedor de InGaAs, donde los portadores fotogenerados se recogen de manera eficiente. A 565 nm, la mayoría de los fotones se absorben dentro de la ventana de InP, donde la recombinación puede reducir la recolección de portadores. En consecuencia, se espera que la fotocorriente sea menor a 565 nm para una potencia óptica incidente comparable.
Antes de continuar, vuelva a configurar la fuente de luz en el láser de 1550 nm y haga clic en «Reconstruir». Esto garantiza que las simulaciones posteriores utilicen la iluminación original de 1550 nm.
7. Análisis de los diagramas de bandas de energía.
Podemos utilizar OghmaNano para analizar cómo cambian las bandas de energía en función del voltaje aplicado y la iluminación. Desde la ventana principal, seleccione la pestaña «Salida» y haga doble clic en snapshots para abrir el visor de instantáneas de la simulación. Haga clic en el botón «+» para agregar curvas y utilice los menús desplegables «Archivo» para seleccionar Ec.csv (borde de la banda de conducción), Ev.csv (borde de la banda de valencia), Fn.csv (nivel cuasi-Fermi de los electrones) y Fp.csv (nivel cuasi-Fermi de los huecos). La barra deslizante que se encuentra debajo del gráfico le permite desplazarse entre los diferentes voltajes aplicados.
7.1 Bandas de energía en la oscuridad.
En primer lugar, examine los resultados con la iluminación desactivada. Los tres gráficos que se muestran a continuación representan el dispositivo a −0,6 V, 0 V y +0,45 V. A 0 V, el dispositivo se encuentra en equilibrio térmico: los niveles de Fermi de electrones y huecos coinciden y permanecen constantes en todo el dispositivo. Esto significa que no hay una corriente neta de electrones ni de huecos, aunque las bandas de conducción y de valencia presentan una pendiente en la región intrínseca de InGaAs.
La pendiente de las bandas representa el campo eléctrico inherente, que surge de la unión entre las regiones de tipo p y de tipo n. En equilibrio, las corrientes de deriva y difusión se anulan, lo que da como resultado una corriente neta nula. Observe también los cambios bruscos en las bandas de conducción y valencia en las interfaces InP/InGaAs. Se trata de desajustes de banda en la heterounión, causados por las diferencias en las bandas prohibidas y las afinidades electrónicas de los dos semiconductores.
Bajo polarización inversa (−0,6 V), las bandas de energía se vuelven más pronunciadas, lo que indica un campo eléctrico más fuerte. Los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos se separan porque los contactos se mantienen a diferentes potenciales electroquímicos. Sus pendientes indican las fuerzas impulsoras para el transporte de electrones y huecos: un nivel cuasi-Fermi plano corresponde a una corriente nula para ese portador, mientras que un gradiente indica que hay corriente.
Cuando se aplica una polarización directa (+0,45 V), el voltaje aplicado se opone al potencial intrínseco y las bandas se vuelven más planas. La reducción de la barrera de potencial permite que los electrones y las cargas positivas se inyecten en la unión. Esto produce el rápido aumento de la corriente que se observa en la región de polarización directa de la curva J–V.
7.2 Bandas de energía bajo iluminación.
Restablezca el láser de 1550 nm, establezca el multiplicador de iluminación en 1.0 y vuelva a ejecutar la simulación. Abra snapshots desde la pestaña de resultados y utilice la barra deslizante para examinar los resultados iluminados. Los tres gráficos que se muestran a continuación corresponden a -1,8 V, 0 V y +0,45 V.
La diferencia fundamental que se observa cuando se aplica iluminación es que los fotones absorbidos generan electrones y huecos adicionales en la capa de InGaAs. Estos portadores se alejan del equilibrio térmico, por lo que los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos se separan. Esta separación refleja las diferentes poblaciones de electrones y huecos: \(F_n\) describe la población de electrones, mientras que \(F_p\) describe la población de huecos.
A −1,8 V, el intenso campo eléctrico arrastra los electrones y las «huecos» fotogenerados hacia los contactos opuestos. Obsérvese que los niveles cuasi-Fermi tienen pendientes diferentes a lo largo del absorbente, lo que refleja el transporte de electrones y «huecos» a través del dispositivo. El campo permite que el fotodiodo recoja las cargas de manera eficiente, lo que explica el fotocorriente inversa casi constante que se observó anteriormente.
A 0 V y bajo iluminación, las bandas conservan su pendiente inherente, pero los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos ya no coinciden en todas partes. A diferencia del caso de equilibrio en la oscuridad, el dispositivo está generando y recogiendo portadores, lo que produce una fotocorriente incluso sin una tensión aplicada externamente. Por lo tanto, los niveles cuasi-Fermi indican que el dispositivo ya no se encuentra en equilibrio térmico.
Bajo polarización directa (+0,45 V), las bandas de energía se aplanan casi por completo en el absorbente de InGaAs. El campo eléctrico más débil reduce la recolección de portadores impulsada por la deriva, mientras que la inyección y la difusión de portadores adquieren cada vez más importancia. Los niveles cuasi-Fermi permanecen separados, lo que refleja las poblaciones de electrones y huecos que no están en equilibrio bajo la polarización aplicada.
El punto clave es que las pendientes de las bandas de energía revelan el campo eléctrico interno, mientras que los niveles cuasi-Fermi indican cómo responden los electrones y las huecas a la iluminación y al voltaje aplicado. En conjunto, estas magnitudes explican cómo el fotodiodo genera y transporta la corriente eléctrica.
8. Cálculo de la capacidad de respuesta del fotodiodo.
Una de las características más importantes de un fotodiodo es su capacidad de respuesta, que describe la corriente eléctrica generada por unidad de potencia óptica incidente. Se calcula a partir de la diferencia entre las densidades de corriente en condiciones de iluminación y en la oscuridad:
\[ R = \frac{|J_{\mathrm{light}}-J_{\mathrm{dark}}|} {P_{\mathrm{in}}} \qquad [\mathrm{A/W}]. \]
Aquí, \(P_{\mathrm{in}}\) representa la densidad de potencia óptica incidente, medida en W m−2. Para nuestra simulación, la densidad de fotocorriente con polarización inversa es de aproximadamente 6,12 A m−2. Asumiendo una irradiancia láser incidente de 10 W m−2 y una corriente de fuga despreciable, la responsividad es de aproximadamente 0,61 A/W.
A una longitud de onda de 1550 nm, la capacidad de respuesta teórica máxima para un electrón recolectado por cada fotón incidente es de aproximadamente 1,25 A/W. Por lo tanto, el valor que hemos calculado corresponde a una eficiencia cuántica externa de aproximadamente el 49%. La diferencia con el valor ideal puede deberse a la reflexión óptica, la absorción incompleta y las pérdidas en la recolección de portadores.
Intente modificar el grosor de la capa absorbente de InGaAs y repita el cálculo. ¿Cómo cambia la respuesta?
10. Investigaciones adicionales.
Una vez que la fotodiodo de referencia está en funcionamiento, modificar un parámetro a la vez puede ayudar a determinar qué partes del dispositivo controlan su respuesta.
Experimento 1: Modifique el grosor del absorbente. Aumente y disminuya el grosor del InGaAs, manteniendo constante la entrada óptica. ¿Qué ocurre con el perfil de generación y la fotocorriente con polarización inversa?
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Un absorbente más grueso puede captar una mayor proporción de la luz incidente, pero también se modifican el patrón de interferencia óptica y las propiedades de recolección de portadores. La fotocorriente no tiene por qué aumentar en proporción directa al grosor.
Experimento 2: Modifique la polarización inversa. Compare el perfil del campo eléctrico y la fotocorriente a 0 V, −0,5 V y −2 V.
Mostrar explicación.
Normalmente, la polarización inversa aumenta el campo en el absorbedor y mejora la extracción de portadores. Una vez que la eficiencia de recolección se acerca a la unidad, una polarización inversa adicional puede generar poco aumento en la fotocorriente.
Experimento 3: Modifique la longitud de onda de la iluminación. Compare la respuesta del dispositivo cerca de los 1550 nm con una longitud de onda mayor que se aproxime al límite de absorción del InGaAs.
Mostrar explicación.
A medida que la energía del fotón se acerca a la banda prohibida, el coeficiente de absorción disminuye en general y los fotones penetran más profundamente en el dispositivo. La sensibilidad resultante depende de la cantidad de luz que se absorbe y de la eficiencia con la que se recogen los portadores generados.
Experimento 4: Examinar el transporte en la interfaz. Modificar la alineación de las bandas de energía dentro de un rango físicamente razonable e inspeccionar los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos cerca de cada interfaz InP/InGaAs.
Mostrar explicación.
Los desplazamientos de las bandas de conducción y de valencia influyen en el transporte de portadores a través de las heterouniones. Una gran barrera de extracción puede provocar la acumulación de portadores y una pérdida de voltaje adicional, incluso cuando la absorción óptica es intensa.
8. Cálculo de la eficiencia cuántica externa (EQE).
La eficiencia cuántica externa (EQE) describe el porcentaje de fotones incidentes que contribuyen a la corriente eléctrica. A diferencia de la curva J–V, que mide la respuesta a una fuente de luz específica, la EQE muestra la eficiencia con la que el fotodiodo detecta la luz en diferentes longitudes de onda.
Para calcular el EQE, primero hay que modificar la iluminación para que sea un espectro de banda ancha. Desde la ventana principal de OghmaNano, seleccione la pestaña Óptica y haga clic en Fuentes de luz (el icono del faro). En el editor de fuentes de luz, cambie el espectro a AM1.5G y haga clic en Reconstruir (??). Se necesita un espectro de banda ancha porque queremos calcular la respuesta del fotodiodo en un amplio rango de longitudes de onda, y no solo a 1550 nm.
A continuación, vuelva a la ventana principal y seleccione la opción Tipo de simulación haz clic en la pestaña EQE (??). Haga clic Ejecutar simulación.o pulse F9OghmaNano calcula la respuesta en longitudes de onda sucesivas para determinar la eficiencia con la que los fotones incidentes se convierten en carga eléctrica acumulada.
Una vez que la simulación haya finalizado, abra la pestaña de resultados (??). Los resultados incluyen la eficiencia cuántica externa (EQE) y la eficiencia cuántica interna (IQE), junto con archivos adicionales que describen la respuesta óptica. Haga doble clic en eqe.csv para mostrar la EQE en función de la longitud de onda (??).
eqe.csv para ver la eficiencia en función de la longitud de onda.
La eficiencia cuántica externa (EQE) calculada alcanza aproximadamente el 98 % alrededor de los 850 nm y se mantiene relativamente alta en un amplio rango de longitudes de onda. En la longitud de onda de funcionamiento prevista de 1550 nm, la EQE es de aproximadamente el 70–75 %. La disminución a longitudes de onda más largas se produce porque la energía de los fotones se acerca a la banda prohibida de InGaAs, lo que reduce la absorción óptica en el material absorbente.
La eficiencia cuántica externa (EQE) también depende de las condiciones de iluminación. Los dispositivos semiconductores pueden presentar un comportamiento no lineal debido a la recombinación y al transporte de portadores, por lo que la eficiencia calculada puede variar en función de la intensidad óptica. Aunque aquí utilizamos AM1.5G para proporcionar una iluminación de banda ancha, para una aplicación específica de fotodetector, es preferible evaluar la EQE utilizando intensidades ópticas representativas de las condiciones de funcionamiento esperadas.
La relación entre la eficiencia cuántica externa (EQE) y la capacidad de respuesta del fotodiodo es:
\[ R(\lambda)=\mathrm{EQE}(\lambda)\frac{q\lambda}{hc}. \]
A una longitud de onda de 1550 nm, una eficiencia cuántica externa (EQE) del 75 % corresponde a una responsividad de aproximadamente 0,94 A/W. Esto ofrece una forma útil de relacionar la respuesta espectral simulada con la fotocorriente eléctrica calculada anteriormente en el tutorial.
9. Resumen y conclusiones.
En este tutorial, hemos utilizado OghmaNano para simular un fotodiodo PIN de InGaAs/InP diseñado para la detección óptica a 1550 nm. Partiendo de un dispositivo preconfigurado, hemos examinado su estructura semiconductora, el perfil de dopaje, la composición de la aleación y los parámetros de los materiales eléctricos.
A continuación, calculamos las características de corriente-voltaje (J–V) en condiciones de oscuridad e iluminación, investigamos la absorción óptica y la generación de portadores, y analizamos cómo cambian las bandas de energía y los niveles cuasi-Fermi en función del voltaje aplicado y la iluminación. Al comparar un láser de 1550 nm con un LED de 565 nm, demostramos cómo la ventana de InP permite que la luz infrarroja cercana llegue al absorbedor de InGaAs, al tiempo que absorbe gran parte de la luz visible.
Por último, calculamos la eficiencia cuántica externa (EQE) en función de la longitud de onda y analizamos su relación con la capacidad de respuesta del fotodiodo. En conjunto, estas simulaciones demuestran cómo OghmaNano combina los cálculos de la matriz de transferencia óptica con el modelado eléctrico de deriva y difusión para predecir el comportamiento de los fotodetectores semiconductores.
Ahora puede experimentar modificando el grosor de la capa absorbente, la composición de la aleación, las concentraciones de dopaje o la longitud de onda de la iluminación para investigar cómo estos parámetros afectan el rendimiento del fotodiodo.
Para obtener más información sobre la importación de espectros láser y LED personalizados, consulte la siguiente sección. Base de datos de espectros ópticos. El Materiales eléctricos Base de datos describe cómo se pueden definir las propiedades de los materiales semiconductores mediante scripts de Lua.