Simulation d’une photodiode PIN InGaAs/InP fonctionnant à 1 550 nm.
Dans ce tutoriel, nous utilisons OghmaNano pour simuler une photodiode PIN InGaAs/InP de 1 550 nm, un photodétecteur à semi-conducteurs conçu pour convertir la lumière infrarouge en courant électrique. Les photodiodes InGaAs sont largement utilisées dans les communications par fibre optique, la détection optique, les télécommunications et la détection infrarouge, en particulier aux longueurs d’onde d’environ 1 310 nm et 1 550 nm. Le dispositif étudié ici, illustré dans ??, est constitué d’une couche absorbante InGaAs à faible bande interdite, prise en sandwich entre des couches de semi-conducteur InP à bande interdite plus large. À 1 550 nm, l’InGaAs absorbe efficacement les photons incidents, tandis que l’InP est largement transparent, ce qui permet à la lumière d’atteindre la région absorbante.
Le dispositif utilise une structure p–i–n, dans laquelle une couche InGaAs intrinsèque est placée entre une couche InP de type p et une couche InP de type n. Le champ électrique interne, associé à une tension de polarisation inverse appliquée, sépare les électrons et les trous générés par la lumière et les transporte vers les contacts électriques. Cela produit un photocourant mesurable, proportionnel à la puissance optique incidente sur l’étendue linéaire de fonctionnement du dispositif. Cette structure constitue un exemple utile de modélisation d’une hétérojonction semi-conductrice de type III–V, combinant l’absorption optique, le transport des porteurs de charge et l’alignement des bandes d’énergie du semi-conducteur au sein d’un seul dispositif.
Nous commencerons par charger une simulation préconfigurée d’une photodiode InGaAs/InP à partir de la bibliothèque d’exemples d’OghmaNano, ce qui nous permettra d’étudier le dispositif sans avoir à le construire à partir de zéro. En utilisant la modélisation par matrice de transfert optique et la simulation de dérive-diffusion, nous calculerons la distribution spatiale de la génération optique, examinerons les diagrammes des bandes de conduction et de valence, et étudierons l’influence de la polarisation inverse sur le champ électrique interne et la collecte des porteurs. Nous comparerons ensuite les caractéristiques courant-tension (J-V) en l’absence et en présence de lumière, et nous calculerons la sensibilité de la photodiode en A/W. Enfin, nous étudierons comment la modification de l’épaisseur de l’absorbeur, de la longueur d’onde de l’illumination et de la tension appliquée affecte les performances du dispositif.
1. Introduction : photodiodes InGaAs et détection à 1 550 nm.
Une photodiode PIN en InGaAs convertit la lumière infrarouge incidente en un courant électrique en absorbant des photons et en générant des paires électron-trou. Ces dispositifs sont largement utilisés dans les communications par fibre optique, les télécommunications et la détection infrarouge, en particulier aux longueurs d’onde de 1310 nm et 1550 nm. Dans ce tutoriel, nous nous concentrons sur une photodiode conçue pour détecter la lumière à 1550 nm, l’une des principales longueurs d’onde utilisées dans les systèmes modernes de communication optique.
Le choix des matériaux semi-conducteurs est particulièrement important pour les photodiodes fonctionnant à cette longueur d’onde. Pour qu’un photon soit absorbé par une transition directe entre les bandes d’énergie, son énergie doit être au moins égale à la largeur de la bande interdite du semi-conducteur. L’énergie d’un photon est donnée par :
\[ E_{\mathrm{ph}}=\frac{hc}{\lambda} \approx 0.80\ \mathrm{eV} \qquad (\lambda=1550\ \mathrm{nm}). \]
Comme l’illustre la figure ??, le phosphure d’indium (InP) présente, à température ambiante, une largeur de bande interdite d’environ 1,34 eV. Étant donné que l’énergie d’un photon de 1550 nm est inférieure à cette largeur de bande interdite, il ne peut pas exciter directement un électron de la bande de valence vers la bande de conduction. Par conséquent, l’InP est largement transparent à cette longueur d’onde, ce qui le rend approprié pour les couches de fenêtre à travers lesquelles la lumière pénètre dans la photodiode.
En revanche, l’In0,53Ga0,47As, dont la structure cristalline est compatible, présente un écart de bande beaucoup plus faible, d’environ 0,74 à 0,75 eV. Un photon de 1550 nm possède donc suffisamment d’énergie pour exciter un électron et le faire passer dans la bande de conduction, laissant derrière lui un trou dans la bande de valence. Ce processus génère les paires électron-trou qui produisent la réponse électrique de la photodiode. Les différents écarts de bande de l’InP et de l’InGaAs permettent ainsi de combiner dans le dispositif des couches de semi-conducteur transparent avec une région d’InGaAs qui absorbe fortement. Les valeurs exactes des limites de bande simulées dépendent des paramètres de matériau sélectionnés dans OghmaNano.
Le dispositif utilise une structure semi-conductrice de type p–i–n, composée d’InP de type p, d’un absorbeur InGaAs intrinsèque et d’InP de type n. Le faible dopage relatif de la région intrinsèque permet à la zone de déplétion de s’étendre sur une grande partie de l’absorbeur. L’application d’une tension inverse augmente le champ électrique dans cette région, ce qui entraîne les électrons et les trous photogénérés vers les contacts opposés. Le photocorrent résultant permet de mesurer l’intensité optique incidente.
2. Ouvrir la simulation prédéfinie et en comprendre la structure.
Pour commencer, lancez OghmaNano et cliquez sur « Nouvelle simulation » dans le ruban « Fichier ». Cela ouvre la bibliothèque de simulations, comme illustré dans ??. Double-cliquez sur « Démos GaAs » pour ouvrir les exemples de dispositifs semi-conducteurs III–V disponibles (??). Sélectionnez la photodiode PIN InGaAs/InP (1 550 nm), choisissez un répertoire de destination et cliquez sur « Enregistrer ». OghmaNano créera une nouvelle simulation contenant la structure complète de la photodiode, les paramètres des matériaux, l’illumination optique et les paramètres de simulation électrique.
L’avantage de partir d’une configuration prédéfinie est que l’appareil est prêt à effectuer une simulation sans qu’il soit nécessaire de le construire à partir de zéro. Une fois chargée, la fenêtre principale d’OghmaNano affiche la photodiode PIN InGaAs/InP dans l’onglet « Structure de l’appareil » (??). Les flèches vertes représentent la lumière incidente, tandis que les différentes couches colorées illustrent la structure du semi-conducteur. Cet exemple utilise un modèle électrique unidimensionnel d’une photodiode planaire, et l’appareil est représenté en trois dimensions pour faciliter la visualisation.
2.1 Structure du dispositif et couches semi-conductrices.
La photodiode est constituée de quatre couches semi-conductrices disposées de la surface éclairée au contact arrière. Le dispositif contient un absorbeur intrinsèque en InGaAs de 2 µm, placé entre des couches de type p et de type n en InP. L’InP, qui possède une bande interdite plus large, permet à la lumière de 1550 nm d’atteindre l’absorbeur en InGaAs, tout en assurant la jonction semi-conductrice et les zones de contact électrique. La structure des couches est résumée ci-dessous.
| Couche | Matériel | Épaisseur | Dopage (m−3) | Fonction |
|---|---|---|---|---|
| p+ | InP | 200 nm | 1 × 1024 accepteurs | zone de fenêtre et de contact de type p |
| i | In0,53Ga0,47As | 2,0 µm | Non dopé. | Absorption optique et génération de porteurs de charge |
| n | InP | 200 nm | 3 × 1022 donateurs | zone de jonction de type n |
| n+ | InP | 100 nanomètres | 1 024 donateurs | Zone de contact arrière fortement dopée. |
Pour examiner la structure, cliquez sur Éditeur de calques bouton sur le côté gauche de Structure du dispositif tab. L’éditeur (??) affiche l’épaisseur, le matériau optique et le type de simulation de chaque couche. Dans cet exemple, les propriétés optiques de l’InP et de l’InGaAs sont tirées de Modèles de matériaux optiques Adachi chez OghmaNano. base de données de matériauxCes données fournissent l’indice de réfraction et le coefficient d’extinction, qui varient en fonction de la longueur d’onde, et qui sont utilisés par le solveur optique.
La couche d’absorption en InGaAs est chargée de convertir les photons incidents de 1 550 nm en paires électron-trou. Son écart de bande relativement faible lui permet d’absorber cette lumière proche de l’infrarouge, tandis que les couches d’InP environnantes ont un écart de bande plus important et sont largement transparentes à la longueur d’onde de fonctionnement. La couche d’absorption n’est pas dopée, ce qui permet de créer un champ électrique important à travers elle lorsque la photodiode est polarisée inversement. Ce champ sépare les électrons et les trous générés par la lumière et les transporte vers les contacts opposés.
2.2 Profil de dopage, composition de l’alliage et paramètres des matériaux électriques.
Les propriétés électriques de la photodiode PIN InGaAs/InP dépendent fortement des concentrations de dopage, de la composition du semi-conducteur et des paramètres du matériau. Ouvrez le ruban « Électrique » et sélectionnez « Dopage/Ions » pour examiner le profil de dopage (??). La couche p+ InP contient une concentration d’accepteurs de 1 × 1024 m−3, tandis que la région n InP contient 3 × 1022 m−3 de donneurs. Le contact n+ InP est davantage dopé, avec une concentration de donneurs de 1 × 1024 m−3.
Notez que la région centrale en InGaAs ne contient pas d’impuretés ajoutées intentionnellement. La configuration p–i–n qui en résulte fait que la zone de déplétion s’étend principalement dans l’absorbeur en InGaAs. C’est un avantage pour les photodiodes, car le champ électrique contribue à séparer les paires électron-trou générées par la lumière et à transporter les porteurs vers leurs contacts respectifs avant qu’ils ne se recombinent. Le profil de dopage joue donc un rôle important dans la détermination du champ électrique intrinsèque, de la collecte des porteurs et des caractéristiques de polarisation inverse du dispositif.
L’absorbeur en InGaAs est un alliage semi-conducteur ternaire plutôt qu’un composé pur. Sa composition est In0,53Ga0,47As, ce qui correspond approximativement à un alignement de réseau avec l’InP. Pour vérifier la composition de l’alliage, ouvrez l’éditeur « Gradients/Contraintes » dans le ruban « Électrique » (??).
Le graphique montre que la variable de composition « x » est maintenue à 0,53 dans toute l’épaisseur de la couche InGaAs et qu’elle est nulle à l’extérieur. Dans cet exemple, « x » représente la fraction d’indium, tandis que la fraction de gallium est de 1 − x = 0,47. La composition est uniforme dans tout l’absorbeur, bien qu’OghmaNano permette également de définir des gradients de composition. La modification de la composition de l’alliage affecte les propriétés du matériau, telles que la largeur de bande interdite, la mobilité des porteurs et l’alignement des bandes du semi-conducteur, et peut donc influencer à la fois l’absorption optique et le transport électrique.
Outre le dopage et la composition de l’alliage, le comportement électrique de la photodiode dépend des paramètres du matériau semi-conducteur, tels que la largeur de bande interdite, l’affinité électronique, les densités d’états effectives, les mobilités des porteurs et les coefficients de recombinaison. Ces paramètres déterminent les décalages des bandes de conduction et de valence au niveau des hétérojonctions InP/InGaAs et influencent l’efficacité avec laquelle les électrons et les trous se déplacent dans le dispositif.
Pour vérifier ces propriétés, retournez à la fenêtre principale d’OghmaNano et sélectionnez Structure du dispositif sélectionnez et cliquez Paramètres électriques dans la barre d’outils située à gauche. Cela ouvre Éditeur de paramètres électriques (??). L’éditeur comporte un onglet distinct pour chaque couche semi-conductrice, ce qui permet de modifier les propriétés de la couche p.+ InP, InGaAs intrinsèque, InP de type n et n+ Les régions constituées d’InP seront examinées séparément.
Dans cet exemple, les propriétés électriques du matériau sont obtenues à partir des données fournies par OghmaNano. base de données sur les matériaux électriquesAu lieu de se contenter de stocker des valeurs numériques fixes, la base de données contient Modèles de matériaux Lua qui calculent les propriétés des semi-conducteurs en fonction de variables telles que la température et la composition de l’alliage. Éditeur de code affiche le script Lua associé au matériau sélectionné, tandis que Paramètres onglet : permet d’examiner les valeurs numériques correspondantes des propriétés des matériaux.
L’un des avantages de l’utilisation de la base de données sur les matériaux électriques est que les propriétés des semi-conducteurs peuvent varier en fonction de la température et de la composition de l’alliage, au lieu d’être considérées comme des constantes fixes. Par exemple, le modèle de matériau InP présenté dans ?? calcule la largeur de bande en fonction de la température à l’aide de l’équation de Varshni :
\[ E_g(T)=E_g(0)-\frac{\alpha T^2}{T+\beta} \]
Ici, \(E_g(0)\) représente la largeur de la bande interdite à une température de zéro Kelvin, tandis que \(\alpha\) et \(\beta\) sont des paramètres qui dépendent du matériau. Le modèle de matériau InP utilise cette relation pour calculer une largeur de bande interdite d’environ 1,35 eV à 300 K. Le modèle de matériau InGaAs peut de même décrire les propriétés qui dépendent de la composition, ce qui permet aux variations de la fraction d’indium d’influencer la structure de bande du semi-conducteur simulé.
Ces relations entre les matériaux sont particulièrement importantes pour les hétérojonctions à base de semi-conducteurs III-V. Les différences d’énergie de bande interdite et d’affinité électronique entre l’InP et l’InGaAs entraînent des discontinuités dans les bandes de conduction et de valence. Ces décalages de bande peuvent influencer l’injection, l’extraction et la recombinaison des porteurs de charge. Nous examinerons les diagrammes de bande résultants plus loin dans ce tutoriel.
💡 Astuce : OghmaNano permet de remplacer les paramètres individuels des matériaux électriques par des valeurs spécifiées manuellement. Lorsqu’un paramètre est remplacé, il ne suit plus le modèle de matériau Lua correspondant. Par exemple, si vous remplacez la bande interdite de l’InGaAs par une valeur fixe, modifier la composition de l’alliage ne mettra pas automatiquement à jour cette bande interdite. Désactivez le remplacement pour rétablir la relation avec la base de données des matériaux.
3. Exécuter la simulation et analyser les caractéristiques de la courbe courant-tension (J–V).
Pour lancer la simulation de la photodiode PIN InGaAs/InP, cliquez sur le bouton bleu. Exécuter la simulation. bouton dans le Fichier ruban, ou appuyez sur F9Ouvrez le Terminal Onglet pour suivre l’avancement du calcul (??). L’exemple est déjà configuré avec les couches de semi-conducteurs, les paramètres des matériaux et l’éclairage optique appropriés, il n’est donc pas nécessaire de procéder à une configuration supplémentaire avant de l’exécuter.
OghmaNano effectue d’abord un calcul optique pour déterminer comment la lumière incidente de 1550 nm est absorbée dans les couches semi-conductrices, puis calcule la génération résultante de paires électron-trou. Une fois le calcul optique terminé, le programme lance une série de mesures courant-tension (J-V), en appliquant une série de tensions à la photodiode et en calculant la densité de courant électrique résultante.
Pour chaque tension appliquée, OghmaNano résout l’équation de Poisson, ainsi que les équations de dérive-diffusion et de continuité des électrons et des trous. Le taux de génération optique fournit la source des porteurs photo-générés dans le modèle électrique. Pour plus d’informations, veuillez consulter le document suivant. théorie de la modélisation par dérive et diffusion et optique modèle de la matrice de transfert.
L’écran affiche la tension appliquée aux contacts supérieur et inférieur, ainsi que la densité de courant calculée, exprimée en A m−2. La valeur indiquée par top= correspond à la tension appliquée au contact supérieur, tandis que btm= indique la tension au niveau du contact inférieur, qui est maintenue à 0 V. La valeur f()= représente le résidu numérique du solveur électrique, ce qui indique à quel point la solution calculée satisfait les équations du semi-conducteur.
Dans cet exemple, la tension est balayée d’environ −2 V à +0,5 V, ce qui permet de couvrir à la fois le fonctionnement en polarisation inverse et en polarisation directe. On observe que la densité de courant générée par l’illumination reste approximativement constante, à environ −6,12 A m−2, sur une grande partie de la zone de polarisation inverse. C’est une caractéristique d’une photodiode PIN lorsque les électrons et les trous générés par la lumière sont collectés efficacement par le champ électrique interne.
Lorsque la tension appliquée devient positive, le courant direct de la diode augmente rapidement, dépassant finalement le photCourant (??). Une fois le calcul terminé, sélectionnez l’onglet « Sortie » (??). Celui-ci affiche les fichiers générés par la simulation, notamment les caractéristiques électriques J–V, les résultats optiques, les informations sur la simulation et les images instantanées résolues spatialement.
jv.csv pour examiner la courbe caractéristique tension-courant, ou ouvrez snapshots pour analyser les grandeurs électriques en fonction de la position.3.1 Analyse de la courbe courant-tension sous illumination.
Pour analyser le comportement électrique de la photodiode, double-cliquez sur jv.csv dans l’onglet « Sortie ». Cela ouvre la courbe caractéristique de la densité de courant en fonction de la tension (??). Le graphique indique la densité de courant qui traverse le dispositif en fonction de la tension appliquée. Le courant négatif obtenu en polarisation inverse suit la convention de signe utilisée par OghmaNano.
La courbe J–V illuminée présente deux régions distinctes. Sous polarisation inverse, la densité de courant reste approximativement constante, à environ −6,12 A m−2. Cela indique qu’une augmentation de la tension inverse ne produit qu’un faible courant photoélectrique supplémentaire, ce qui est cohérent avec une collecte efficace des porteurs photo-générés.
En polarisation directe, le courant augmente rapidement à mesure que les électrons et les trous sont injectés à travers la jonction. Cette augmentation exponentielle qui en résulte est caractéristique du comportement des diodes à semi-conducteurs. Bien que le même dispositif puisse fonctionner en polarisation directe ou inverse, les photodiodes utilisées pour la détection optique fonctionnent généralement en polarisation inverse afin d’améliorer la collecte des porteurs et la vitesse de réponse.
3.2 Comparaison des caractéristiques J–V obtenues en conditions d’éclairage et dans l’obscurité.
Nous pouvons maintenant étudier quelle proportion du courant électrique est due à la lumière incidente. Pour ce faire, nous répéterons la simulation en désactivant l’éclairage et comparerons les courbes caractéristiques J–V obtenues dans l’obscurité et avec l’éclairage. Les deux résultats sont présentés dans les figures ?? et ??.
Sélectionnez la barre d’outils « Optique » dans la fenêtre principale d’OghmaNano (??). Localisez le contrôle intitulé « Intensité lumineuse (unités solaires) ». Bien que l’interface utilise le terme « unités solaires », ce contrôle agit comme un multiplicateur pour le spectre de la source lumineuse sélectionnée. Cela ne signifie pas nécessairement que l’appareil est éclairé par la lumière du soleil.
Par exemple, le spectre solaire standard AM1.5G présente une irradiance intégrée d’environ 1000 W m−2. Si ce spectre est sélectionné, un multiplicateur de 1,0 correspond à une intensité solaire. Cependant, notre photodiode InGaAs/InP utilise un spectre laser de 1550 nm plutôt que la lumière du soleil. Si le spectre laser a une irradiance intégrée de 10 W m−2, un multiplicateur de 1,0 produit une densité de puissance optique incidente de 10 W m−2, et non de 1000 W m−2.
Pour calculer courbe caractéristique sombre J–V, modifier Intensité lumineuse (en unités solaires) de 1,0 à 0.0Cela désactive la génération optique à partir de la source lumineuse sélectionnée. Cliquez. Exécuter la simulation. encore une fois, ou appuyez sur F9et attendez que le calcul soit terminé.
Retour à Résultat appuyez sur la touche Tab et effectuez un double-clic
jv.csv afin d’étudier la courbe caractéristique en polarisation inverse.
On remarque que le courant inverse est maintenant beaucoup plus faible qu’en présence de lumière. Le dispositif présente toujours l’augmentation exponentielle habituelle du courant direct, mais le courant généré par la lumière n’est plus présent.
La différence entre les courants photoélectriques générés en présence de lumière et en l’absence de lumière correspond à la densité du courant photoélectrique produit par l’absorption des photons incidents :
\[ J_{\mathrm{ph}}(V) = J_{\mathrm{light}}(V)-J_{\mathrm{dark}}(V). \]
Ici, \(J_{\mathrm{light}}\) représente la densité de courant photoélectrique, tandis que \(J_{\mathrm{dark}}\) représente la densité de courant calculée en l’absence d’illumination, pour la même tension appliquée. Le signe du photCourant dépend de la convention utilisée pour définir le sens du courant ; par conséquent, on utilise sa valeur absolue lors du calcul de la sensibilité.
Le photocourant est approximativement proportionnel à la puissance optique incidente lorsque le détecteur fonctionne dans son régime linéaire. Par conséquent, une photodiode peut mesurer les variations d’intensité optique en surveillant le courant électrique résultant. Cette relation est quantifiée par la sensibilité de la photodiode, que nous calculerons plus tard dans le cadre de ce tutoriel.
Le très faible courant d’obscurité prédit par cette simulation reflète les mécanismes physiques pris en compte dans le modèle. Les photodiodes InGaAs/InP réelles peuvent présenter un courant d’obscurité supplémentaire dû à la génération-recombinaison dans le volume, aux défauts d’interface, aux fuites de surface et à la génération de porteurs assistée par un champ électrique. Par conséquent, le courant d’obscurité calculé ne doit pas être interprété automatiquement comme le courant d’obscurité d’un dispositif fabriqué.
Expérience : Modifiez l’intensité de l’éclairage. Remettez le multiplicateur d’intensité lumineuse à 1,0 et enregistrez la densité de courant inverse à -2 V. Répétez le calcul avec des multiplicateurs de 0,5 et de 2,0. Comment évolue le photocorrent ?
Afficher l’explication.
Pour une photodiode fonctionnant dans son régime linéaire, le photCourant est approximativement proportionnel à la puissance optique incidente. Par conséquent, diviser par deux l’intensité lumineuse devrait approximativement diviser par deux le photCourant, tandis que doubler l’intensité lumineuse devrait approximativement le doubler. Le courant total comprend également le courant de fuite, il est donc conseillé de comparer les valeurs en utilisant \(J_{\mathrm{light}}-J_{\mathrm{dark}}\). Des écarts importants par rapport à ce comportement peuvent indiquer une recombinaison non linéaire, des modifications dans la collecte des porteurs de charge ou d’autres effets physiques.
3.3 Analyse des données de simulation.
sim_info.dat. OghmaNano affiche une série de valeurs électriques, bien que les paramètres de performance photovoltaïques tels que le facteur de remplissage et le rendement de conversion de puissance ne soient généralement pas pertinents pour les photodiodes polarisées en inverse.En plus de la courbe J–V, OghmaNano crée un fichier appelé sim_info.dat, qui peut être ouvert à partir de l’onglet « Résultats » (??). Ce fichier contient un résumé des grandeurs électriques calculées pendant la simulation, notamment les tensions caractéristiques, les densités de courant, les concentrations de porteurs, les mobilités et autres paramètres du dispositif.
Certaines des valeurs affichées dans ce fichier, telles que la densité de courant de court-circuit, la tension en circuit ouvert, le facteur de remplissage et le rendement de conversion de puissance, sont principalement destinées aux simulations photovoltaïques. Bien qu’OghmaNano puisse calculer ces valeurs pour une photodiode, elles ne sont généralement pas utilisées pour caractériser les performances d’un détecteur optique polarisé inversement. Pour les photodiodes, les paramètres les plus importants incluent la sensibilité, le rendement quantique externe, le courant d’obscurité et la réponse spectrale.
Dans les sections suivantes, nous examinerons le profil de génération optique, les diagrammes de bandes d’énergie et le transport des porteurs dans la photodiode PIN InGaAs/InP. Nous utiliserons ensuite le photocourant et la puissance optique incidente calculés pour déterminer la sensibilité du dispositif à 1 550 nm.
4. Étude de l’absorption optique et modification de la longueur d’onde de l’éclairage.
Dans la section précédente, nous avons étudié la réponse électrique de la photodiode PIN InGaAs/InP lorsqu’elle est soumise à un éclairage. Nous allons maintenant examiner comment la lumière se propage à travers les couches semi-conductrices et où les photons incidents sont absorbés. Nous modifierons également la longueur d’onde de l’éclairage afin de démontrer pourquoi cet appareil est particulièrement adapté à la détection dans le proche infrarouge.
L’exemple présenté est configuré avec un laser de 1550 nm, ce qui correspond à une longueur d’onde couramment utilisée dans les communications par fibre optique. À cette longueur d’onde, l’énergie du photon est d’environ 0,80 eV. Cette valeur est inférieure à la bande interdite de l’InP (environ 1,35 eV), mais supérieure à celle de l’In0,53Ga0,47As, dont la structure cristalline est compatible (environ 0,75 eV). Par conséquent, les couches d’InP sont largement transparentes à la lumière incidente, ce qui permet à celle-ci d’atteindre l’absorbeur en InGaAs.
4.1 Observation de l’absorption optique et de la génération de porteurs.
Pour étudier le comportement optique du dispositif, revenez à la fenêtre principale d’OghmaNano et sélectionnez l’onglet « Optique ». Cliquez sur « Matrice de transfert » pour ouvrir l’éditeur de simulation optique. Cette fenêtre affiche les résultats du calcul optique et vous permet d’examiner la manière dont la lumière interagit avec les couches semi-conductrices.
Sélectionnez l’onglet « Distribution des photons absorbés » (??). Celui-ci affiche la distribution des photons absorbés en fonction de la longueur d’onde et de la position à l’intérieur du dispositif. L’axe horizontal représente la position dans les couches du semi-conducteur, tandis que l’axe vertical représente la longueur d’onde de la lumière incidente. L’échelle de couleurs indique la densité locale des photons absorbés.
On observe que les photons absorbés sont concentrés autour de 1 550 nm, ce qui correspond au spectre étroit du laser. L’absorption se produit principalement dans la couche InGaAs, et non dans la fenêtre InP. C’est précisément ce que nous souhaitons pour une photodiode InGaAs/InP conçue pour la détection dans le proche infrarouge.
Sélectionnez maintenant l’onglet « Taux de génération » (??). Celui-ci affiche le taux de génération résolu spatialement, G(y), exprimé en unités de m−3 s−1. Le taux de génération indique le nombre de paires électron-trou créées par unité de volume et par seconde.
Le schéma illustre également la structure de la couche semi-conductrice et les niveaux d’énergie des bandes de conduction et de valence des matériaux, ce qui permet de mettre en relation le profil de génération optique avec les hétérojonctions InP/InGaAs. On observe une forte augmentation de la génération au début de la couche InGaAs, suivie d’une diminution progressive à mesure que la lumière se propage dans l’absorbeur.
Les oscillations observées dans le profil de génération sont dues à des interférences optiques au sein de la structure multicouche. La lumière réfléchie aux interfaces semi-conductrices interfère avec la lumière qui se propage, ce qui entraîne des variations d’intensité optique et, par conséquent, de la génération de porteurs. Pour un indice de réfraction d’environ 3,5, la période caractéristique d’interférence est de \(\lambda/(2n)\), ce qui correspond à environ 220 nm pour une longueur d’onde de 1550 nm.
Le spectre laser sélectionné peut également être examiné en revenant à la fenêtre principale d’OghmaNano et en cliquant sur « Sources lumineuses » dans le ruban « Optique ». Cela ouvre l’éditeur de sources lumineuses (??). La source sélectionnée est un laser de 1 550 nm, avec un multiplicateur d’intensité de 1,0. Cliquez sur « Reconstruire » pour afficher le spectre. Remarquez le pic étroit centré à 1 550 nm, ce qui explique pourquoi l’absorption se produit sur une plage de longueurs d’onde aussi étroite.
OghmaNano calcule le champ optique à l’intérieur du dispositif en utilisant la méthode de la matrice de transfert, en tenant compte de la réflexion, de la transmission et de l’interférence aux interfaces du semi-conducteur. L’énergie optique absorbée est ensuite convertie en un taux de génération résolu spatialement, qui est transmis au solveur d’équations de dérive-diffusion.
Dans le cas d’un éclairage monochromatique, le taux de génération peut être mis en relation avec l’irradiance optique locale par la formule suivante :
\[ G(y,\lambda)= \frac{\alpha(\lambda)I(y,\lambda)}{hc/\lambda}, \]
où \(\alpha\) est le coefficient d’absorption. \(I\) représente l’irradiance optique locale. \(h\) est la constante de Planck et \(c\) c’est la vitesse de la lumière. Pour une source émettant plusieurs longueurs d’onde, les contributions sont intégrées sur l’ensemble du spectre. Vous trouverez de plus amples informations dans le document. optique documentation du modèle de la matrice de transfert.
4.2 Modification de la longueur d’onde de l’éclairage.
Nous allons maintenant étudier ce qui se passe lorsque la longueur d’onde de l’éclairage est modifiée de manière significative. Retournez à l’éditeur de source lumineuse et localisez le menu déroulant « Spectre » dans l’onglet « Source lumineuse ». Modifiez le spectre sélectionné, en passant de « 1550 nm – laser » à « thorlabs/565 nm », qui représente une LED verte.
Laissez le multiplicateur de la source à la valeur 1,0 et cliquez sur « Reconstruire » pour générer le nouveau spectre (??). Remarquez que la LED émet de la lumière sur une plage de longueurs d’onde beaucoup plus large que le laser, avec un pic d’émission d’environ 565 nm.
Fermez l’éditeur de source lumineuse et revenez à l’éditeur de simulation optique en cliquant sur « Matrice de transfert » dans le ruban principal « Optique ». Cliquez sur « Exécuter la simulation optique » pour recalculer l’absorption optique en utilisant la nouvelle source lumineuse. Sélectionnez l’onglet « Distribution des photons absorbés » pour examiner le résultat (??).
Le profil d’absorption est maintenant très différent. À 565 nm, l’énergie du photon est d’environ 2,19 eV, ce qui est supérieur à la largeur de bande interdite de l’InP. Par conséquent, la lumière incidente est fortement absorbée dans la zone p+ de l’InP, près de la surface éclairée. Très peu de lumière atteint l’absorbeur intrinsèque en InGaAs.
Expérience : comparer le photoco courant à différentes longueurs d’onde. En utilisant la LED de 565 nm, effectuez à nouveau la simulation électrique J–V et comparez le courant obtenu en polarisation inverse avec celui obtenu à l’aide du laser de 1550 nm.
Pour effectuer une comparaison quantitative pertinente, assurez-vous d’abord que les deux sources lumineuses présentent la même densité de puissance optique incidente intégrée. Dans le cas contraire, les différences observées dans le photCourant pourraient simplement refléter des différences dans l’intensité de l’éclairage.
Afficher l’explication.
La fenêtre en InP est largement transparente à 1550 nm, ce qui permet aux photons d’atteindre l’absorbeur en InGaAs, où les porteurs générés par la lumière sont collectés efficacement. À 565 nm, la plupart des photons sont absorbés dans la fenêtre en InP, ce qui peut réduire la collecte des porteurs par recombinaison. Par conséquent, on s’attend à ce que le photoco courant soit plus faible à 565 nm pour une puissance optique incidente comparable.
Avant de continuer, rétablissez la source lumineuse à 1 550 nm (laser) et cliquez sur « Reconstruire ». Cela garantit que les simulations suivantes utiliseront l’éclairage d’origine de 1 550 nm.
7. Analyse des diagrammes de bandes d’énergie.
Nous pouvons utiliser OghmaNano pour étudier l’évolution des bandes d’énergie en fonction de la tension appliquée et de l’intensité lumineuse. Dans la fenêtre principale, sélectionnez l’onglet « Sortie » et double-cliquez sur snapshots pour ouvrir le visualiseur des captures d’écran de la simulation. Cliquez sur le bouton « + » pour ajouter des courbes, puis utilisez les menus déroulants « Fichier » pour sélectionner Ec.csv (bord de la bande de conduction), Ev.csv (bord de la bande de valence), Fn.csv (niveau quasi-Fermi des électrons) et Fp.csv (niveau quasi-Fermi des trous). Le curseur situé sous le graphique vous permet de passer d’une tension appliquée à l’autre.
7.1 Bandes d’énergie dans l’obscurité.
Commencez par examiner les résultats lorsque l’éclairage est désactivé. Les trois graphiques ci-dessous montrent le comportement du dispositif aux tensions de −0,6 V, 0 V et +0,45 V. À 0 V, le dispositif est en équilibre thermique : les niveaux de Fermi des électrons et des trous coïncident et restent constants dans tout le dispositif. Cela signifie qu’il n’y a pas de courant net d’électrons ou de trous, même si les bandes de conduction et de valence présentent une pente dans la région intrinsèque d’InGaAs.
La pente des bandes représente le champ électrique inhérent, qui résulte de la jonction entre les régions de type p et de type n. À l’équilibre, les courants de dérive et de diffusion s’annulent, ce qui donne un courant net nul. On observe également les variations abruptes dans les bandes de conduction et de valence aux interfaces InP/InGaAs. Il s’agit de décalages de bandes d’hétérojonction, causés par les différences d’énergie de bande interdite et d’affinité électronique des deux semi-conducteurs.
Dans des conditions de polarisation inverse (−0,6 V), les bandes d’énergie deviennent plus abruptes, ce qui indique un champ électrique plus intense. Les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous se séparent, car les contacts sont maintenus à des potentiels électrochimiques différents. Leurs pentes indiquent les forces motrices du transport des électrons et des trous : un niveau quasi-Fermi plat correspond à un courant nul pour ce type de porteur, tandis qu’une pente indique qu’un courant circule.
Dans le cas d’une polarisation directe (+0,45 V), la tension appliquée s’oppose au potentiel intégré et les bandes d’énergie deviennent plus plates. La réduction de la barrière de potentiel permet l’injection d’électrons et de trous dans la jonction. Cela entraîne l’augmentation rapide du courant observée dans la zone de polarisation directe de la courbe J–V.
7.2 Bandes d’énergie sous illumination.
Restaurez le laser de 1550 nm, réglez le multiplicateur d’intensité sur 1,0 et relancez la simulation. Ouvrez à nouveau snapshots dans l’onglet « Résultats » et utilisez le curseur pour examiner les résultats obtenus. Les trois graphiques ci-dessous affichent les valeurs de −1,8 V, 0 V et +0,45 V.
La différence importante lorsqu’il y a illumination est que les photons absorbés génèrent des électrons et des trous supplémentaires dans la couche InGaAs. Ces porteurs sont sortis de l’équilibre thermique, ce qui entraîne la séparation des quasi-niveaux de Fermi des électrons et des trous. Cette séparation reflète les différentes populations d’électrons et de trous : \(F_n\) décrit la population d’électrons, tandis que \(F_p\) décrit la population de trous.
À −1,8 V, le champ électrique intense entraîne les électrons et les trous générés par la lumière vers les contacts opposés. On observe que les niveaux quasi-Fermi présentent des pentes différentes dans l’absorbeur, ce qui reflète le transport des électrons et des trous à travers le dispositif. Le champ permet à la photodiode de collecter efficacement les porteurs de charge, ce qui explique le courant photoinverse presque constant observé précédemment.
À 0 V, sous l’effet de la lumière, les bandes conservent leur pente initiale, mais les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous ne coïncident plus partout. Contrairement au cas d’équilibre dans l’obscurité, le dispositif génère et collecte des porteurs, produisant un photocourant même en l’absence de tension appliquée en externe. Les niveaux quasi-Fermi révèlent donc que le dispositif n’est plus en équilibre thermique.
Dans les conditions de polarisation directe (+0,45 V), les bandes d’énergie deviennent presque planes dans l’absorbeur InGaAs. Le champ électrique plus faible réduit la collecte des porteurs due à la dérive, tandis que l’injection et la diffusion des porteurs deviennent de plus en plus importantes. Les niveaux quasi-Fermi restent séparés, ce qui reflète les populations de porteurs (électrons et trous) hors d’équilibre sous l’effet de la polarisation appliquée.
L’élément essentiel est que les pentes des bandes d’énergie révèlent le champ électrique interne, tandis que les niveaux quasi-Fermi indiquent comment les électrons et les trous réagissent à l’illumination et à la tension appliquée. Ensemble, ces paramètres expliquent comment la photodiode génère et transporte le courant électrique.
8. Calcul de la sensibilité du photodiode.
L’une des caractéristiques les plus importantes d’une photodiode est sa sensibilité, qui décrit le courant électrique produit par unité de puissance optique incidente. Elle est calculée à partir de la différence entre les densités de courant obtenues en présence de lumière et dans l’obscurité :
\[ R = \frac{|J_{\mathrm{light}}-J_{\mathrm{dark}}|} {P_{\mathrm{in}}} \qquad [\mathrm{A/W}]. \]
Ici, \(P_{\mathrm{in}}\) représente la densité de puissance optique incidente en W m−2. Pour notre simulation, la densité de photocourant en polarisation inverse est d’environ 6,12 A m−2. En supposant une irradiance laser incidente de 10 W m−2 et un courant de fuite négligeable, la sensibilité est d’environ 0,61 A/W.
À une longueur d’onde de 1 550 nm, la sensibilité maximale théorique, pour un électron collecté par photon incident, est d’environ 1,25 A/W. La valeur que nous avons calculée correspond donc à un rendement quantique externe d’environ 49 %. La différence par rapport à la valeur idéale peut être due à la réflexion optique, à une absorption incomplète et aux pertes lors de la collecte des porteurs de charge.
Essayez de modifier l’épaisseur de la couche absorbante en InGaAs et de refaire le calcul. Comment la sensibilité du détecteur est-elle affectée ?
10. Enquêtes complémentaires.
Une fois que la photodiode de référence est opérationnelle, modifier un seul paramètre à la fois peut aider à déterminer quelles parties de l’appareil contrôlent sa réponse.
Expérience 1 : Modifiez l’épaisseur de l’absorbeur. Augmentez et diminuez l’épaisseur de l’InGaAs tout en maintenant l’entrée optique constante. Quel est l’effet sur le profil de génération et sur le photocourant obtenu en polarisation inverse ?
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Un absorbeur plus épais peut capter une plus grande partie de la lumière incidente, mais le motif d’interférence optique et les propriétés de collecte des porteurs de charge sont également modifiés. Le photCourant n’a pas nécessairement besoin d’augmenter en proportion directe de l’épaisseur.
Expérience 2 : Modifiez la tension de polarisation inverse. Comparez le profil du champ électrique et le photocourant aux tensions de 0 V, −0,5 V et −2 V.
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En général, une polarisation inverse accrue augmente le champ électrique dans l’absorbeur et améliore l’extraction des porteurs de charge. Une fois que l’efficacité de collecte se rapproche de l’unité, une polarisation inverse supplémentaire risque de ne produire qu’un faible courant photoélectrique supplémentaire.
Expérience 3 : Modifiez la longueur d’onde de l’illumination. Comparez la réponse de l’appareil à une longueur d’onde d’environ 1550 nm avec une longueur d’onde plus longue, se rapprochant du seuil d’absorption de l’InGaAs.
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À mesure que l’énergie du photon se rapproche de la largeur de bande interdite, le coefficient d’absorption diminue généralement et les photons pénètrent plus profondément dans le dispositif. La sensibilité résultante dépend de la quantité de lumière absorbée et de l’efficacité avec laquelle les porteurs générés sont collectés.
Expérience 4 : Étudier le transport à l’interface. Modifier l’alignement des bandes d’énergie électrique dans une plage physiquement acceptable et examiner les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous à proximité de chaque interface InP/InGaAs.
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Les décalages des bandes de conduction et de valence influencent le transport des porteurs à travers les hétérojonctions. Une barrière d’extraction importante peut entraîner une accumulation de porteurs et des pertes de tension supplémentaires, même lorsque l’absorption optique est forte.
8. Calcul du rendement quantique externe (EQE)
L’efficacité quantique externe (EQE) indique le pourcentage de photons incidents qui contribuent au courant électrique. Contrairement à la courbe J–V, qui mesure la réponse à une source lumineuse particulière, l’EQE montre l’efficacité avec laquelle la photodiode détecte la lumière à différentes longueurs d’onde.
Pour calculer l’EQE, commencez par modifier l’éclairage afin d’obtenir un spectre à large bande. Dans la fenêtre principale d’OghmaNano, sélectionnez l’onglet « Optique » et cliquez sur « Sources lumineuses » (l’icône du phare). Dans l’éditeur de sources lumineuses, modifiez le spectre pour qu’il corresponde à AM1.5G, puis cliquez sur « Reconstruire » (??). Un spectre à large bande est nécessaire, car nous souhaitons calculer la réponse de la photodiode sur une large plage de longueurs d’onde, et pas seulement à 1 550 nm.
Ensuite, revenez à la fenêtre principale et sélectionnez Type de simulation ruban et clic EQE (??). Cliquez Exécuter la simulation.ou appuyez sur F9OghmaNano calcule la réponse aux différentes longueurs d’onde afin de déterminer l’efficacité avec laquelle les photons incidents sont convertis en charges collectées.
Une fois la simulation terminée, ouvrez l’onglet « Résultats » (??). Les résultats comprennent l’efficacité quantique externe (EQE) et l’efficacité quantique interne (IQE), ainsi que des fichiers de sortie supplémentaires décrivant la réponse optique. Double-cliquez sur eqe.csv pour afficher l’EQE en fonction de la longueur d’onde (??).
eqe.csv pour afficher l’efficacité en fonction de la longueur d’onde.
L’efficacité quantique externe (EQE) calculée atteint environ 98 % autour de 850 nm et reste relativement élevée sur une large plage de longueurs d’onde. À la longueur d’onde de fonctionnement prévue de 1550 nm, l’EQE est d’environ 70 à 75 %. La diminution observée aux longueurs d’onde plus élevées est due au fait que l’énergie des photons se rapproche de la bande interdite de l’InGaAs, ce qui réduit l’absorption optique dans l’absorbeur.
L’efficacité quantique externe (EQE) dépend également des conditions d’éclairage. Les dispositifs à semi-conducteurs peuvent présenter un comportement non linéaire en raison de la recombinaison et du transport des porteurs de charge, ce qui signifie que l’efficacité calculée peut varier en fonction de l’intensité lumineuse. Bien que nous utilisions ici la source AM1.5G pour fournir un éclairage à large bande, il est préférable, pour une application spécifique de photodétecteur, d’évaluer l’EQE en utilisant des intensités lumineuses représentatives des conditions de fonctionnement prévues.
La relation entre l’efficacité quantique externe (EQE) et la sensibilité de la photodiode est la suivante :
\[ R(\lambda)=\mathrm{EQE}(\lambda)\frac{q\lambda}{hc}. \]
À une longueur d’onde de 1 550 nm, un rendement quantique externe (EQE) de 75 % correspond à une sensibilité d’environ 0,94 A/W. Cela permet d’établir un lien utile entre la réponse spectrale simulée et le photocourant électrique calculé précédemment dans le cadre de ce tutoriel.
9. Résumé et principaux enseignements.
Dans ce tutoriel, nous avons utilisé OghmaNano pour simuler une photodiode PIN InGaAs/InP conçue pour la détection optique à 1 550 nm. En partant d’un dispositif préconfiguré, nous avons étudié sa structure semi-conductrice, son profil de dopage, sa composition d’alliage et ses paramètres électriques.
Nous avons ensuite calculé les caractéristiques courant-tension (J–V) en conditions d’obscurité et d’éclairage, étudié l’absorption optique et la génération de porteurs, et analysé l’évolution des bandes d’énergie et des niveaux quasi-Fermi en fonction de la tension appliquée et de l’intensité lumineuse. En comparant un laser de 1550 nm à une LED de 565 nm, nous avons démontré comment la fenêtre en InP permet au rayonnement infrarouge proche d’atteindre l’absorbeur en InGaAs tout en absorbant une grande partie de la lumière visible.
Enfin, nous avons calculé le rendement quantique externe (EQE) en fonction de la longueur d’onde et étudié sa relation avec la sensibilité de la photodiode. Ensemble, ces simulations démontrent comment OghmaNano combine les calculs basés sur la matrice de transfert optique avec la modélisation électrique de la dérive et de la diffusion afin de prédire le comportement des photodétecteurs à semi-conducteurs.
Vous pouvez désormais expérimenter en modifiant l’épaisseur de l’absorbeur, la composition de l’alliage, les concentrations de dopage ou la longueur d’onde de l’illumination afin d’étudier l’impact de ces paramètres sur les performances de la photodiode.
Pour obtenir de plus amples informations sur l’importation de spectres personnalisés pour lasers et LED, veuillez consulter la section suivante. Base de données des spectres optiques. Le Matériaux électriques Base de données explique comment les propriétés des matériaux semi-conducteurs peuvent être définies à l’aide de scripts Lua.