Symulacja działania fotodiody PIN z materiału InGaAs/InP o długości fali 1550 nm.

1. Wprowadzenie: Fotodiody InGaAs i detekcja w zakresie długości fali 1550 nm.

Fotodioda PIN wykonana z InGaAs przekształca padające promieniowanie bliskiej podczerwieni w prąd elektryczny, absorbując fotony i generując pary elektron-dziura. Urządzenia te są powszechnie stosowane w komunikacji światłowodowej, telekomunikacji i detekcji podczerwieni, szczególnie przy długościach fal 1310 nm i 1550 nm. W tym samouczku skupimy się na fotodiodzie zaprojektowanej do detekcji światła o długości fali 1550 nm, która jest jedną z głównych długości fal stosowanych w nowoczesnych systemach komunikacji optycznej.

Wybór materiałów półprzewodnikowych ma kluczowe znaczenie dla fotodiod, pracujących w tym zakresie długości fali. Aby foton został zaabsorbowany w wyniku bezpośredniej tranzycji między pasmami energetycznymi, jego energia musi być co najmniej równa szerokości pasma energetycznego półprzewodnika. Energię fotonu można obliczyć ze wzoru:

\[ E_{\mathrm{ph}}=\frac{hc}{\lambda} \approx 0.80\ \mathrm{eV} \qquad (\lambda=1550\ \mathrm{nm}). \]

Jak pokazano na ilustracji ??, fosforek indu (InP) ma w temperaturze pokojowej próg energetyczny wynoszący około 1,34 eV. Ponieważ energia fotonu o długości fali 1550 nm jest mniejsza niż ten próg energetyczny, nie może on bezpośrednio wzbudzić elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. W konsekwencji, InP jest w dużym stopniu przezroczysty przy tej długości fali, co czyni go odpowiednim materiałem do tworzenia warstw okiennych, przez które światło dociera do fotodiody.

W przeciwieństwie do tego, In0,53Ga0,47As, którego struktura krystaliczna jest dopasowana do podłoża, ma znacznie mniejszą przerwę energetyczną, wynoszącą około 0,74–0,75 eV. W związku z tym foton o długości fali 1550 nm ma wystarczającą energię, aby wzbudzić elektron do pasma przewodnictwa, pozostawiając dziurę w paśmie walencyjnym. W wyniku tego procesu powstają pary elektron-dziura, które generują odpowiedź elektryczną fotodiody. Różne wartości przerw energetycznych InP i InGaAs pozwalają zatem na połączenie w jednym urządzeniu przezroczystych warstw półprzewodnikowych z silnie absorbującą warstwą InGaAs. Dokładne wartości przerw energetycznych, uzyskane w symulacji, zależą od wybranych parametrów materiałowych w programie OghmaNano.

Urządzenie wykorzystuje półprzewodnikową strukturę typu p–i–n, składającą się z warstwy InP typu p, warstwy InGaAs o właściwościach zbliżonych do materiału wewnętrznego oraz warstwy InP typu n. Stosunkowo niskie domieszkowanie warstwy wewnętrznej umożliwia rozciągnięcie się obszaru zubożonego na znaczną część absorbera. Zastosowanie napięcia wstecznego zwiększa natężenie pola elektrycznego w tym obszarze, co powoduje przemieszczanie się fotogenerowanych elektronów i dziur w kierunku przeciwległych elektrod. W rezultacie powstaje prąd fotoelektryczny, który stanowi miarę natężenia padającego światła.

2. Otwieranie gotowego modelu symulacji i zapoznanie się z jego strukturą.

Na początek uruchom program OghmaNano i kliknij opcję „Nowa symulacja” na pasku narzędzi „Plik”. Spowoduje to otwarcie biblioteki symulacji, jak pokazano na ilustracji ??. Kliknij dwukrotnie „Przykłady GaAs”, aby otworzyć dostępne przykłady urządzeń półprzewodnikowych z grupy III–V (??). Wybierz fotodiodę PIN InGaAs/InP (1550 nm), wybierz folder docelowy i kliknij „Zapisz”. OghmaNano utworzy nową symulację zawierającą kompletną strukturę fotodiody, parametry materiałowe, ustawienia oświetlenia optycznego i ustawienia symulacji elektrycznej.

Zaletą korzystania z gotowego ustawienia jest to, że urządzenie jest od razu gotowe do symulacji, bez konieczności jego tworzenia od podstaw. Po załadowaniu ustawienia, w głównym oknie OghmaNano wyświetlana jest fotodioda PIN InGaAs/InP w zakładce „Struktura urządzenia” (??). Zielone strzałki oznaczają padające światło, a kolorowe warstwy przedstawiają strukturę półprzewodnika. W tym przykładzie zastosowano jednowymiarowy model elektryczny fotodiody płaskiej, a urządzenie jest zilustrowane w trzech wymiarach, co ułatwia wizualizację.

2.1 Budowa urządzenia i warstwy półprzewodnikowe.

Fotodioda składa się z czterech warstw półprzewodnikowych, ułożonych od oświetlanej powierzchni do tylnego kontaktu. Urządzenie zawiera warstwę absorbującą InGaAs o grubości 2 µm, umieszczoną pomiędzy warstwami InP typu p i typu n. Warstwa InP o większej przerwie energetycznej umożliwia dotarcie światła o długości fali 1550 nm do warstwy absorbującej InGaAs, zapewniając jednocześnie połączenie półprzewodnikowe i obszary kontaktu elektrycznego. Struktura warstw została podsumowana poniżej.

Aby sprawdzić strukturę, kliknij przycisk edytora warstw znajdujący się po lewej stronie karty „Struktura urządzenia”. Edytor (??) wyświetla grubość, materiał optyczny i typ symulacji dla każdej warstwy. W tym przykładzie właściwości optyczne InP i InGaAs pochodzą z modeli materiałów optycznych Adachiego w bazie danych materiałów OghmaNano materials database. Modele te dostarczają informacje o współczynniku załamania i współczynniku ekstynkcji, które zmieniają się w zależności od długości fali i są wykorzystywane przez solver optyczny.

Absorber wykonany z InGaAs odpowiada za przekształcanie padających fotonów o długości fali 1550 nm w pary elektron-dziura. Jego stosunkowo niewielka przerwa energetyczna umożliwia absorpcję światła z zakresu bliskiej podczerwieni, natomiast otaczające go warstwy InP charakteryzują się większą przerwą energetyczną i są w dużej mierze przezroczyste dla długości fali, przy której działa fotodioda. Absorber jest nominalnie niedomieszkowany, co pozwala na wytworzenie się w nim znacznego pola elektrycznego, gdy fotodioda jest poddana napięciu wstecznemu. To pole rozdziela elektrony i dziury powstałe w wyniku działania światła i kieruje je w stronę przeciwległych elektrod.

2.2 Profil domieszkowania, skład stopu i parametry elektryczne materiału

Właściwości elektryczne fotodiody PIN wykonanej z InGaAs/InP zależą w dużym stopniu od stężenia domieszek, składu półprzewodnika i parametrów materiałowych. Otwórz zakładkę „Właściwości elektryczne” i wybierz opcję „Domieszki/jony”, aby przeanalizować profil domieszkowania (??). Warstwa p+ InP zawiera stężenie akceptorów równe 1 × 1024 m−3, natomiast obszar n-typu InP zawiera 3 × 1022 m−3 donorów. Kontakt n+ InP jest silniej domieszkowany, zawiera 1 × 1024 m−3 donorów.

Zwróćmy uwagę, że w centralnej warstwie InGaAs nie wprowadzono celowo żadnych domieszek. Otrzymana struktura p–i–n powoduje, że obszar zubożony rozciąga się głównie w warstwie absorbującej InGaAs. Jest to pożądane w fotodiodach, ponieważ pole elektryczne pomaga w rozdzielaniu par elektron-dziura powstających pod wpływem światła i w transporcie nośników do odpowiednich elektrod, zanim dojdzie do ich rekombinacji. Profil domieszkowania odgrywa zatem ważną rolę w określaniu wbudowanego pola elektrycznego, efektywności zbierania nośników oraz charakterystyk pracy urządzenia przy odwróconym napięciu.

Absorber wykonany z InGaAs to trójskładnikowy stop półprzewodnikowy, a nie czysty związek chemiczny. Jego skład to In0,53Ga0,47As, co w przybliżeniu odpowiada dopasowaniu do struktury InP. Aby sprawdzić skład stopu, otwórz edytor „Gradienty/Naprężenia” w pasku narzędzi „Elektryczne” (??).

Na wykresie przedstawiono zmienną składu, oznaczoną jako x, która ma wartość 0,53 w całej warstwie InGaAs, a poza nią wynosi zero. W tym przykładzie x oznacza udział inda, natomiast udział galu wynosi 1 − x = 0,47. Skład jest jednolity w całej warstwie absorbującej, chociaż OghmaNano umożliwia również definiowanie gradientów składu. Zmiana składu stopu wpływa na właściwości materiału, takie jak szerokość pasma energetycznego, ruchliwość nośników i wyrównanie pasm półprzewodnikowych, a zatem może wpływać zarówno na absorpcję optyczną, jak i na przewodnictwo elektryczne.

Oprócz domieszkowania i składu stopu, właściwości elektryczne fotodiody zależą od parametrów materiału półprzewodnikowego, takich jak szerokość pasma energetycznego, powinowactwo elektronowe, efektywna gęstość stanów, ruchliwość nośników i współczynniki rekombinacji. Parametry te określają przesunięcia pasm przewodnictwa i walencyjności w heterozłączach InP/InGaAs i wpływają na to, jak efektywnie elektrony i dziury przemieszczają się wewnątrz urządzenia.

Aby sprawdzić te właściwości, wróć do głównego okna OghmaNano, wybierz zakładkę „Struktura urządzenia” i kliknij „Parametry elektryczne” w lewym pasku narzędzi. Otworzy się okno edytora parametrów elektrycznych (Edytor parametrów elektrycznych (??)). Edytor zawiera oddzielną zakładkę dla każdej warstwy półprzewodnikowej, co umożliwia niezależne sprawdzanie właściwości obszarów p+ InP, wewnętrznego InGaAs, n-typu InP i n+ InP.

W tym przykładzie właściwości elektryczne materiału pobierane są z programu OghmaNano. baza danych materiałów elektrycznychZamiast przechowywać jedynie stałe wartości liczbowe, baza danych zawiera Materiały w języku Lua. które obliczają właściwości półprzewodników w zależności od zmiennych, takich jak temperatura i skład stopu. Edytor kodu wyświetla skrypt Lua powiązany z wybranym materiałem, a następnie Parametry zakładka umożliwia sprawdzenie odpowiednich wartości liczbowych dotyczących właściwości materiału.

Jedną z zalet korzystania z bazy danych materiałów elektrycznych jest to, że właściwości półprzewodników mogą zależeć od temperatury i składu stopu, a nie być traktowane jako stałe wartości. Na przykład, model materiału InP przedstawiony w ?? oblicza zależną od temperatury wartość przerwy energetycznej, wykorzystując równanie Varshniego:

\[ E_g(T)=E_g(0)-\frac{\alpha T^2}{T+\beta} \]

W tym przypadku \(E_g(0)\) oznacza szerokość przerwy energetycznej w temperaturze zera absolutnego, natomiast \(\alpha\) i \(\beta\) to parametry zależne od materiału. Model materiału InP wykorzystuje tę zależność do obliczenia szerokości przerwy energetycznej wynoszącej około 1,35 eV w temperaturze 300 K. Model materiału InGaAs może w podobny sposób opisywać właściwości zależne od składu, umożliwiając zmianę zawartości ind w celu wpływania na symulowaną strukturę pasmową półprzewodnika.

Te zależności między materiałami są szczególnie istotne w przypadku heterozłącz półprzewodnikowych III–V. Różnice w szerokości pasma wzbronionego i powinowactwie elektronowym między InP i InGaAs powodują nieciągłości w pasmach przewodnictwa i walencyjnych. Te przesunięcia pasm mogą wpływać na wstrzykiwanie, ekstrakcję i rekombinację nośników. Omówimy wynikające z tego diagramy pasm w dalszej części tego samouczka.

3. Uruchomienie symulacji i analiza charakterystyk prądowo-napięciowych (J–V).

Aby uruchomić symulację fotodiody PIN wykonanej z materiałów InGaAs/InP, kliknij niebieski przycisk. Uruchom symulację. przycisk wewnątrz Plik taśma, lub naciśnij F9Otwórz. Terminal zakładka do śledzenia postępu obliczeń (??). Przykład jest już skonfigurowany z odpowiednimi warstwami półprzewodnikowymi, parametrami materiałowymi i oświetleniem optycznym, więc przed uruchomieniem nie jest wymagana żadna dodatkowa konfiguracja.

OghmaNano najpierw przeprowadza obliczenia optyczne, określając, w jaki sposób światło o długości fali 1550 nm jest absorbowane w warstwach półprzewodnikowych, oraz oblicza wynikające z tego tworzenie się par elektron-dziura. Po zakończeniu obliczeń optycznych program rozpoczyna pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej (I–V), przykłada serię napięć do fotodiody i oblicza wynikającą z tego gęstość prądu elektrycznego.

Dla każdego zastosowanego napięcia OghmaNano rozwiązuje równanie Poissona wraz z równaniami opisującymi dryf i dyfuzję elektronów i dziur oraz równaniem ciągłości. Częstotliwość generacji optycznej stanowi źródło fotogenerowanych nośników w modelu elektrycznym. Więcej informacji można znaleźć w sekcjach teoria modelowania dryfu i dyfuzji oraz model optycznej macierzy przenoszenia.

Na wyświetlaczu terminala prezentowane są wartości napięcia przyłożonego do górnego i dolnego kontaktu, wraz z obliczoną gęstością prądu wyrażoną w A/m². Wartość oznaczona jako top= przedstawia napięcie przyłożone do górnego kontaktu, natomiast btm= pokazuje napięcie na dolnym kontakcie, które utrzymywane jest na poziomie 0 V. Wielkość f()= to wartość resztowa wynikająca z obliczeń, wskazująca, w jakim stopniu uzyskane rozwiązanie odpowiada równaniom dotyczącym półprzewodników.

W tym przykładzie napięcie zmienia się w zakresie od około −2 V do +0,5 V, obejmując zarówno pracę w warunkach odwróconego polaryzacji, jak i w warunkach polaryzacji przewodzącej. Zauważ, że gęstość prądu generowanego przez światło pozostaje w przybliżeniu stała na poziomie −6,12 A/m² w większości obszaru odwróconej polaryzacji. Jest to cecha charakterystyczna fotodiody PIN, w której fotogenerowane elektrony i dziury są efektywnie zbierane przez wewnętrzne pole elektryczne.

Wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia do wartości dodatniej, prąd płynący przez diodę w kierunku przewodzenia gwałtownie wzrasta, ostatecznie przekraczając wartość prądu fotokatody (??). Po zakończeniu obliczeń należy wybrać zakładkę „Wyniki” (??). Wyświetla ona pliki wygenerowane przez symulację, w tym charakterystyki elektryczne J–V, wyniki optyczne, informacje o symulacji oraz obrazy przedstawiające rozkład parametrów w przestrzeni.

3.1 Analiza charakterystyki prądowo-napięciowej (J–V) w warunkach oświetlenia.

Aby zbadać właściwości elektryczne fotodiody, kliknij dwukrotnie jv.csv w zakładce „Wyniki”. Spowoduje to wyświetlenie wykresu zależności gęstości prądu od napięcia (??). Na wykresie przedstawiono gęstość prądu przepływającego przez urządzenie w funkcji przyłożonego napięcia. Ujemny prąd przy polaryzacji odwrotnej jest zgodny z konwencją znaków stosowaną przez OghmaNano.

Oświetlona krzywa J–V charakteryzuje się dwoma wyraźnie odrębnymi obszarami. Przy polaryzacji odwrotnej gęstość prądu pozostaje w przybliżeniu stała i wynosi −6,12 A/m². Oznacza to, że zwiększenie napięcia polaryzacji odwrotnej powoduje stosunkowo niewielki wzrost dodatkowego prądu fotowoltaicznego, co jest zgodne z efektywnym zbieraniem nośników generowanych przez światło.

W warunkach polaryzacji przewodzącej prąd gwałtownie wzrasta, ponieważ elektrony i dziury są wprowadzane do obszaru złącza. Powstały wykładniczy wzrost jest charakterystyczny dla diod półprzewodnikowych. Chociaż to samo urządzenie może pracować zarówno w warunkach polaryzacji przewodzącej, jak i blokującej, fotodiody stosowane do detekcji optycznej zazwyczaj pracują w warunkach polaryzacji blokującej, co poprawia zbieranie nośników ładunku i szybkość reakcji.

3.2 Porównanie charakterystyk J–V mierzonych w warunkach oświetlenia i w ciemności.

Możemy teraz zbadać, jaka część prądu elektrycznego jest spowodowana padającym światłem. W tym celu powtórzymy symulację, wyłączając oświetlenie, i porównamy uzyskane charakterystyki J–V dla warunków bez oświetlenia i z oświetleniem. Oba wyniki przedstawiono na rysunkach ?? i ??.

W głównym oknie programu OghmaNano wybierz opcję „Optical ribbon” (??). Znajdź element sterujący oznaczony jako „Light intensity (Suns)”. Chociaż w interfejsie używane jest słowo „Suns”, element ten działa jako mnożnik dla wybranego spektrum źródła światła. Nie oznacza to koniecznie, że urządzenie jest oświetlane światłem słonecznym.

Na przykład, standardowe spektrum promieniowania słonecznego AM1.5G ma całkowitą moc promieniowania wynoszącą około 1000 W/m². Jeśli zostanie wybrane to spektrum, współczynnik 1,0 odpowiada promieniowaniu słonecznemu o natężeniu 1. Jednakże, nasza fotodioda InGaAs/InP wykorzystuje spektrum lasera o długości fali 1550 nm, a nie światło słoneczne. Jeśli całkowita moc promieniowania lasera wynosi 10 W/m², to współczynnik 1,0 daje w wyniku natężenie mocy optycznej wynoszące 10 W/m², a nie 1000 W/m².

Aby obliczyć charakterystyczna krzywa prądowo-napięciowa dla diody, zmień Natężenie światła (w jednostkach odpowiadających natężeniu światła słonecznego) od 1. 0 do 0.0. To wyłącza generowanie światła z wybranego źródła światła. Kliknij Uruchom symulację. ponownie lub naciśnij F9i poczekaj, aż obliczenia się zakończą.

Wróć do zakładki „Wyniki” i kliknij dwukrotnie jv.csv, aby przeanalizować charakterystykę prądu w ciemności. Zauważ, że prąd wsteczny jest teraz znacznie mniejszy niż w warunkach oświetlenia. Urządzenie nadal wykazuje charakterystyczny wykładniczy wzrost prądu przewodzenia, ale prąd generowany przez światło już nie występuje.

Różnica między prądem generowanym w warunkach oświetlenia a prądem generowanym w ciemności określa gęstość fotoprądu powstającego w wyniku absorpcji padających fotonów:

\[ J_{\mathrm{ph}}(V) = J_{\mathrm{light}}(V)-J_{\mathrm{dark}}(V). \]

W tym przypadku \(J_{\mathrm{light}}\) oznacza gęstość prądu przy oświetleniu, natomiast \(J_{\mathrm{dark}}\) to gęstość prądu obliczona bez oświetlenia przy tym samym przyłożonym napięciu. Znak prądu fotoelektrycznego zależy od przyjętej konwencji dotyczącej kierunku prądu, dlatego przy obliczaniu współczynnika fotoelektrycznego wykorzystuje się jego wartość bezwzględną.

Fotoprąd jest w przybliżeniu proporcjonalny do padającej mocy optycznej, gdy detektor pracuje w swoim liniowym zakresie. W związku z tym fotodioda może mierzyć zmiany natężenia światła, monitorując wynikowy prąd elektryczny. Ta zależność jest określana ilościowo przez współczynnik czułości fotodiody, który obliczymy później w ramach tego samouczka.

Bardzo mały prąd upływu, przewidywany przez to modelowanie, odzwierciedla fizyczne mechanizmy uwzględnione w modelu. Rzeczywiste fotodiody InGaAs/InP mogą wykazywać dodatkowy prąd upływu spowodowany generacją i rekombinacją w objętości materiału, defektami na powierzchni styku, wyciekiem prądu na powierzchni oraz generacją nośników wspomaganą przez pole elektryczne. W związku z tym, obliczony prąd upływu nie powinien być automatycznie interpretowany jako prąd upływu konkretnego, wyprodukowanego urządzenia.

3.3 Analiza danych uzyskanych z symulacji.

Oprócz wykresu zależności prądu od napięcia (J–V), OghmaNano tworzy plik o nazwie sim_info.dat, który można otworzyć z zakładki „Wyniki” (??). Plik ten zawiera podsumowanie wartości elektrycznych obliczonych podczas symulacji, w tym charakterystycznych napięć, gęstości prądu, stężeń nośników, ruchliwości oraz innych parametrów urządzenia.

Niektóre z wartości prezentowanych w tym pliku, takie jak gęstość prądu zwarciowego, napięcie w obwodzie otwartym, współczynnik wypełnienia i sprawność konwersji mocy, są przede wszystkim przeznaczone do symulacji ogniw fotowoltaicznych. Chociaż OghmaNano może obliczać te wartości dla fotodiody, zazwyczaj nie są one wykorzystywane do oceny parametrów detektora optycznego z polaryzacją wsteczną. W przypadku fotodiod, ważniejsze parametry obejmują czułość, zewnętrzną sprawność kwantową, prąd ciemny i charakterystykę spektralną.

W kolejnych sekcjach przeanalizujemy profil generowania światła, diagramy pasm energetycznych oraz transport nośników w fotodiodzie PIN typu InGaAs/InP. Następnie, wykorzystując obliczony prąd fotokatody i moc padającego światła, określimy charakterystykę fotoczułości urządzenia przy długości fali 1550 nm.

4. Badanie absorpcji światła i zmiana długości fali promieniowania.

W poprzedniej sekcji zbadaliśmy reakcję elektryczną fotodiody PIN wykonanej z InGaAs/InP pod wpływem oświetlenia. Teraz przeanalizujemy, jak światło rozchodzi się przez warstwy półprzewodnika i gdzie pochłaniane są padające fotony. Zmienimy również długość fali oświetlenia, aby zademonstrować, dlaczego to urządzenie jest szczególnie dobrze przystosowane do detekcji w zakresie bliskiej podczerwieni.

W podanym przykładzie zastosowano laser o długości fali 1550 nm, co odpowiada długości fali powszechnie stosowanej w komunikacji światłowodowej. Przy tej długości fali energia fotonu wynosi około 0,80 eV. Jest to wartość niższa niż energia przerwy energetycznej InP (około 1,35 eV), ale wyższa niż energia przerwy energetycznej In0,53Ga0,47As, której sieć krystaliczna jest dopasowana (około 0,75 eV). W rezultacie warstwy InP są w dużej mierze przezroczyste dla padającego światła, co umożliwia jego dotarcie do absorbora InGaAs.

4.1 Obserwacja absorpcji światła i generacji nośników ładunku

Aby przeanalizować właściwości optyczne urządzenia, wróć do głównego okna programu OghmaNano i wybierz zakładkę „Optyka”. Kliknij „Macierz transferu”, aby otworzyć edytor symulacji optycznej. W tym oknie wyświetlane są wyniki obliczeń optycznych, a także możesz analizować, w jaki sposób światło oddziałuje z warstwami półprzewodnikowymi.

Wybierz zakładkę „Rozkład pochłoniętych fotonów” (??). Wyświetla ona rozkład pochłoniętych fotonów w zależności od długości fali i położenia wewnątrz urządzenia. Oś pozioma przedstawia położenie w warstwach półprzewodnikowych, a oś pionowa – długość fali padającego światła. Skala kolorów wskazuje lokalną gęstość pochłoniętych fotonów.

Zauważ, że pochłonięte fotony koncentrują się wokół długości fali 1550 nm, co odpowiada wąskiemu spektrum lasera. Absorpcja zachodzi głównie w warstwie InGaAs, a nie w warstwie InP. To właśnie chcemy uzyskać w fotodiodzie InGaAs/InP, przeznaczonej do detekcji w bliskiej podczerwieni.

Teraz wybierz zakładkę „Współczynnik generacji” (??). Wyświetla ona współczynnik generacji w funkcji położenia, G(y), wyrażony w jednostkach m−3 s−1. Współczynnik generacji określa liczbę par elektron-dziura powstających w jednostce objętości w ciągu sekundy.

Na wykresie przedstawiono również strukturę warstwy półprzewodnikowej oraz energie pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego materiałów, co pozwala na bezpośrednie powiązanie profilu generacji optycznej z heterozłączami InP/InGaAs. Zauważ, że na początku warstwy InGaAs występuje gwałtowny wzrost generacji, po którym następuje stopniowy spadek w miarę rozchodzenia się światła przez materiał absorbujący.

Wahania w profilu generacji wynikają z interferencji optycznej wewnątrz wielowarstwowej struktury. Światło odbijające się na granicach półprzewodników interferuje ze światłem rozchodzącym się w kierunku przodu, co powoduje zmiany w intensywności światła, a w konsekwencji w generacji nośników. Dla współczynnika załamania wynoszącego około 3,5, charakterystyczny okres interferencji wynosi \(\lambda/(2n)\), co odpowiada około 220 nm przy długości fali 1550 nm.

Wybrany zakres długości fal lasera można również sprawdzić, wracając do głównego okna programu OghmaNano i klikając opcję „Źródła światła” na pasku narzędzi „Optyka”. Otwiera to edytor źródła światła (??). Wybrane źródło to laser o długości fali 1550 nm, z współczynnikiem wzmocnienia natężenia wynoszącym 1,0. Kliknij „Odtwórz”, aby wyświetlić spektrum. Zwróć uwagę na wąski pik znajdujący się w pobliżu 1550 nm, co wyjaśnia, dlaczego absorpcja występuje w tak wąskim zakresie długości fal.

OghmaNano oblicza rozkład pola optycznego wewnątrz urządzenia, wykorzystując metodę macierzy przenoszenia, przy czym uwzględniane są odbicie, transmisja i interferencja na granicach półprzewodników. Pochłonięta energia optyczna jest następnie przekształcana w przestrzennie rozdzieloną gęstość generacji, która jest przekazywana do modułu rozwiązującego równania dotyczące dryfu i dyfuzji ładunków elektrycznych.

W przypadku oświetlenia monochromatycznego, szybkość generowania można powiązać z lokalną wartością natężenia promieniowania optycznego za pomocą następującego wzoru:

\[ G(y,\lambda)= \frac{\alpha(\lambda)I(y,\lambda)}{hc/\lambda}, \]

gdzie \(\alpha\) to współczynnik absorpcji, \(I\) to lokalna energia promieniowania optycznego, \(h\) to stała Plancka, a \(c\) to prędkość światła. W przypadku źródła emitującego promieniowanie o wielu długościach fal, wkłady poszczególnych długości fal są sumowane w całym spektrum. Szczegółowe informacje można znaleźć w dokumentacji modelu macierzowego transferu optycznego.

4.2 Zmiana długości fali światła

Teraz zbadamy, co się dzieje, gdy znacząco zmienimy długość fali światła. Wróć do edytora źródła światła i znajdź rozwijaną listę „Spectrum” w zakładce „Źródło światła”. Zmień wybrane spektrum z „1550 nm – laser” na „thorlabs/565 nm”, co odpowiada zielonej diodzie LED.

Pozostaw wartość mnożnika źródła na poziomie 1,0 i kliknij „Odbuduj”, aby wygenerować nowe spektrum (??). Zauważ, że dioda LED emituje światło w znacznie szerszym zakresie długości fal niż laser, a jej szczyt emisji znajduje się w okolicach 565 nm.

Zamknij edytor źródła światła i wróć do edytora symulacji optycznej, klikając opcję „Macierz transferu” na głównym pasku narzędzi optycznych. Kliknij „Uruchom symulację optyczną”, aby ponownie obliczyć absorpcję światła, wykorzystując nowe źródło światła. Wybierz zakładkę „Rozkład pochłoniętych fotonów”, aby przeanalizować wynik (??).

Obecnie wzorzec absorpcji jest zupełnie inny. Przy długości fali 565 nm energia fotonu wynosi około 2,19 eV, co jest większe niż energia przerwy energetycznej InP. W rezultacie, padające światło jest silnie absorbowane w obszarze p+ InP, blisko oświetlanej powierzchni. Bardzo niewielka ilość światła dociera do właściwego absorbora InGaAs.

Zanim przejdziemy dalej, przywróć ustawienia źródła światła do wartości 1550 nm (laser) i kliknij „Odbuduj”. Dzięki temu kolejne symulacje będą wykorzystywać oryginalne ustawienie oświetlenia na długości fali 1550 nm.

7. Analiza diagramów struktur energetycznych.

Możemy użyć OghmaNano do analizy zmian w pasmach energetycznych w zależności od przyłożonego napięcia i oświetlenia. W głównym oknie wybierz zakładkę „Wyniki” i kliknij dwukrotnie snapshots, aby otworzyć okno przeglądarki wyników symulacji. Kliknij przycisk „+”, aby dodać krzywe, a następnie użyj rozwijanych list w sekcji „Plik”, aby wybrać Ec.csv (krawędź pasma przewodnictwa), Ev.csv (krawędź pasma walencyjnego), Fn.csv (quasi-poziom Fermiego elektronów) i Fp.csv (quasi-poziom Fermiego dziur). Suwak znajdujący się pod wykresem umożliwia przełączanie się między różnymi przyłożonymi napięciami.

7.1 Pasma energetyczne w ciemności.

Najpierw należy przeanalizować wyniki, gdy oświetlenie jest wyłączone. Na trzech wykresach poniżej przedstawiono działanie urządzenia przy napięciu −0,6 V, 0 V i +0,45 V. Przy napięciu 0 V urządzenie znajduje się w stanie równowagi termicznej: poziomy Fermiego elektronów i dziur pokrywają się i pozostają stałe w całym urządzeniu. Oznacza to, że nie występuje wypadkowy prąd elektronów ani dziur, mimo że pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne nachylone są w obszarze wewnętrznym InGaAs.

Nachylenie pasm odpowiada wbudowanemu polu elektrycznemu, które powstaje na styku obszarów typu p i typu n. W stanie równowagi prądy dryfowe i dyfuzyjne się kompensują, dając w rezultacie zerowy prąd wypadkowy. Zwróćmy również uwagę na wyraźne zmiany w pasmach przewodnictwa i walencyjności na granicach InP/InGaAs. Są to przesunięcia pasm w heterospójeniu, spowodowane różnicami w szerokości pasma i powinowactwie elektronowym obu półprzewodników.

Przy odwróconym polaryzacji (−0,6 V) pasma energetyczne stają się bardziej strome, co wskazuje na silniejsze pole elektryczne. Poziomy quasi-Fermiego dla elektronów i dziur oddzielają się, ponieważ elektrody utrzymywane są przy różnych potencjałach elektrochemicznych. Ich nachylenie wskazuje na siły napędowe dla transportu elektronów i dziur: płaski poziom quasi-Fermiego odpowiada zerowemu prądowi dla danego nośnika ładunku, natomiast gradient wskazuje na przepływ prądu.

Przy polaryzacji przewodzącej (+0,45 V) przyłożone napięcie przeciwdziała wbudowanemu potencjałowi, a pasma energetyczne stają się bardziej płaskie. Zmniejszona bariera potencjału umożliwia wprowadzanie elektronów i dziur do złącza. W efekcie następuje gwałtowny wzrost prądu, który można zaobserwować w obszarze polaryzacji przewodzącej na krzywej J–V.

7.2 Struktura pasm energetycznych pod wpływem oświetlenia

Przywróć działanie lasera o długości fali 1550 nm, ustaw współczynnik wzmocnienia oświetlenia na 1,0 i uruchom ponownie symulację. Ponownie otwórz okno snapshots w zakładce „Wyniki” i użyj suwaka, aby przeanalizować wyniki oświetlenia. Poniżej znajdują się trzy wykresy przedstawiające wartości −1,8 V, 0 V i +0,45 V.

Istotna różnica, która pojawia się pod wpływem oświetlenia, polega na tym, że pochłonięte fotony generują dodatkowe elektrony i dziury w warstwie InGaAs. Te nośniki są wyprowadzane ze stanu równowagi termicznej, co powoduje rozdzielenie się quasi-poziomów Fermiego dla elektronów i dziur. To rozdzielenie odzwierciedla różnice w populacji elektronów i dziur: \(F_n\) opisuje populację elektronów, natomiast \(F_p\) opisuje populację dziur.

Przy napięciu −1,8 V silne pole elektryczne przesuwa fotogenerowane elektrony i dziury w kierunku przeciwległych elektrod. Zauważ, że quasi-poziomy Fermiego mają różne nachylenia w obszarze absorbującym, co odzwierciedla transport elektronów i dziur przez urządzenie. Pole to umożliwia fotodiodzie efektywne zbieranie nośników ładunku, co wyjaśnia prawie stały prąd wsteczny, który obserwowano wcześniej.

Przy napięciu 0 V i pod wpływem oświetlenia, pasma zachowują swój pierwotny nachylenie, ale poziomy quasi-Fermiego dla elektronów i dziur nie pokrywają się już w każdym punkcie. W przeciwieństwie do stanu równowagi w ciemności, urządzenie generuje i zbiera nośniki ładunku, wytwarzając prąd fotoelektryczny, nawet bez zewnętrznego napięcia. Poziomy quasi-Fermiego wskazują zatem, że urządzenie nie znajduje się już w stanie równowagi termicznej.

W warunkach polaryzacji przewodzącej (+0,45 V) pasma energetyczne stają się niemal płaskie w obszarze absorbującym InGaAs. Słabsze pole elektryczne zmniejsza zbieranie nośników ładunku pod wpływem dryfu, natomiast wstrzykiwanie i dyfuzja nośników stają się coraz ważniejsze. Poziomy quasi-Fermiego pozostają rozdzielone, co odzwierciedla stan nieroównowagi populacji elektronów i dziur pod wpływem przyłożonego napięcia.

Kluczowym aspektem jest to, że nachylenie pasm energetycznych ujawnia wewnętrzne pole elektryczne, natomiast quasi-poziomy Fermiego pokazują, jak elektrony i dziury reagują na oświetlenie i przyłożone napięcie. Razem te wielkości wyjaśniają, w jaki sposób fotodioda generuje i przewodzi prąd elektryczny.

8. Obliczanie współczynnika czułości fotodiody.

Jedną z najważniejszych cech fotodiody jest jej współczynnik czułości, który określa prąd elektryczny generowany na jednostkę padającej mocy optycznej. Oblicza się go na podstawie różnicy między gęstością prądu w stanie oświetlonym i w stanie ciemności:

\[ R = \frac{|J_{\mathrm{light}}-J_{\mathrm{dark}}|} {P_{\mathrm{in}}} \qquad [\mathrm{A/W}]. \]

W tym przypadku \(P_{\mathrm{in}}\) oznacza gęstość mocy optycznej padającej na powierzchnię, wyrażoną w W/m². W naszych symulacjach gęstość prądu fotokatody przy odwróconym polaryzacji wynosi około 6,12 A/m². Zakładając, że gęstość promieniowania lasera wynosi 10 W/m², a prąd w stanie ciemności jest znikomy, czułość wynosi około 0,61 A/W.

Przy długości fali 1550 nm teoretyczne maksymalne współczynnik czułości, przy założeniu, że na każdy padający foton zostaje zebrany jeden elektron, wynosi około 1,25 A/W. Nasza obliczona wartość odpowiada zatem zewnętrznej efektywności kwantowej na poziomie około 49%. Różnica w stosunku do idealnej wartości może wynikać z odbicia światła, niepełnej absorpcji oraz strat związanych z procesem zbierania nośników.

Spróbuj zmienić grubość warstwy absorbującej InGaAs i powtórz obliczenia. Jak zmienia się współczynnik czułości?

10. Dalsze dochodzenia/śledztwa.

Gdy referencyjna fotodioda zacznie działać, stopniowe zmienianie poszczególnych parametrów może pomóc w określeniu, które elementy urządzenia wpływają na jego działanie.

8. Obliczanie zewnętrznej efektywności kwantowej (EQE)

Zewnętrzna wydajność kwantowa (EQE) określa procent padających fotonów, które przyczyniają się do powstania prądu elektrycznego. W przeciwieństwie do krzywej J–V, która mierzy reakcję na określone źródło światła, EQE pokazuje, jak efektywnie fotodioda rejestruje światło o różnych długościach fal.

Aby obliczyć wartość EQE, należy najpierw zmienić rodzaj oświetlenia na szerokopasmowe spektrum. W głównym oknie programu OghmaNano wybierz zakładkę „Optyka” i kliknij „Źródła światła” (ikona latarni morskiej). W edytorze źródła światła zmień spektrum na AM1.5G i kliknij „Odbuduj” (??). Potrzebne jest szerokopasmowe spektrum, ponieważ chcemy obliczyć charakterystykę fotodiody w szerokim zakresie długości fal, a nie tylko przy długości fali 1550 nm.

Następnie wróć do głównego okna i wybierz Rodzaj symulacji przewiń i kliknij EQE (??). Kliknij Uruchom symulację.lub naciśnij F9OghmaNano oblicza odpowiedź dla kolejnych długości fal, aby określić, jak efektywnie padające fotony są przekształcane w zgromadzony ładunek.

Po zakończeniu symulacji otwórz zakładkę „Wyniki” (??). Wyniki zawierają wartości EQE i wewnętrznej efektywności kwantowej (IQE), a także dodatkowe pliki zawierające informacje o charakterystyce optycznej. Kliknij dwukrotnie eqe.csv, aby wyświetlić wykres EQE w funkcji długości fali (??).

Obliczona wartość EQE (efektywności konwersji kwantowej) osiąga około 98% przy długości fali 850 nm i pozostaje stosunkowo wysoka w szerokim zakresie długości fal. Przy zamierzonej długości fali roboczej wynoszącej 1550 nm, wartość EQE wynosi około 70–75%. Spadek wartości przy dłuższych długościach fal występuje, ponieważ energia fotonów zbliża się do wartości przerwy energetycznej InGaAs, co zmniejsza absorpcję światła w warstwie absorbującej.

Wartość EQE zależy również od warunków oświetlenia. Półprzewodnikowe elementy mogą wykazywać nieliniowe zachowanie w wyniku rekombinacji i transportu nośników, dlatego obliczona wydajność może zmieniać się w zależności od natężenia światła. Chociaż w tym przypadku stosujemy standard AM1.5G, aby zapewnić szerokopasmowe oświetlenie, w przypadku konkretnego zastosowania fotodetektora preferowane jest ocenianie wartości EQE przy użyciu natężeń światła odpowiadających oczekiwanym warunkom pracy.

Zależność między efektywnością kwantową zewnętrzną (EQE) a fotooporem fotodiody wynosi:

\[ R(\lambda)=\mathrm{EQE}(\lambda)\frac{q\lambda}{hc}. \]

Przy długości fali 1550 nm, wartość EQE wynosząca 75% odpowiada wartości responsywności około 0,94 A/W. Stanowi to użyteczny sposób na powiązanie symulowanej charakterystyki spektralnej z prądem fotowoltaicznym, który został wcześniej obliczony w ramach tego samouczka.

9. Podsumowanie i wnioski, jakie wyciągnąłeś.

W tym samouczku wykorzystaliśmy program OghmaNano do symulacji fotodiody PIN wykonanej z InGaAs/InP, przeznaczonej do detekcji optycznej przy długości fali 1550 nm. Wykorzystując wstępnie skonfigurowane urządzenie, zbadaliśmy jego strukturę półprzewodnikową, profil domieszkowania, skład stopu oraz parametry elektryczne materiału.

Następnie obliczyliśmy charakterystyki prądowo-napięciowe dla warunków ciemności i oświetlenia, zbadaliśmy absorpcję światła i generację nośników oraz przeanalizowaliśmy, jak pasma energetyczne i quasi-poziomy Fermiego zmieniają się w zależności od przyłożonego napięcia i oświetlenia. Porównując laser o długości fali 1550 nm z diodą LED o długości fali 565 nm, pokazaliśmy, w jaki sposób okno InP umożliwia dotarcie światła bliskiej podczerwieni do absorbora InGaAs, jednocześnie absorbując znaczną część widzialnego światła.

Na koniec obliczyliśmy zewnętrzną efektywność kwantową (EQE) w zależności od długości fali i zbadaliśmy jej związek z fotooporem fotodiody. Razem, te symulacje pokazują, jak OghmaNano łączy obliczenia oparte na macierzach przenoszenia światła z modelowaniem elektrycznego dryfu i dyfuzji, aby przewidzieć zachowanie półprzewodnikowych fotodetektorów.

Można teraz eksperymentować ze zmianą grubości warstwy absorbującej, składu stopu, stężenia domieszek lub długości fali światła, aby zbadać, w jaki sposób te parametry wpływają na właściwości fotodiody.

Więcej informacji na temat importowania niestandardowych widm laserowych i LED można znaleźć w Bazie danych widm optycznych. W Bazie danych materiałów elektrycznych opisano, w jaki sposób można definiować właściwości materiałów półprzewodnikowych za pomocą skryptów Lua.