Моделювання PIN-фотодіода InGaAs/InP з довжиною хвилі 1550 нм.

1. Вступ: фотодіоди InGaAs та детектування на довжині хвилі 1550 нм.

Фотодіод InGaAs PIN перетворює падаюче ближнє інфрачервоне випромінювання на електричний струм шляхом поглинання фотонів і створення електронно-діркових пар. Ці пристрої широко використовуються в оптико-волоконних системах зв’язку, телекомунікаціях та інфрачервоному сенсорі, особливо на довжинах хвиль 1310 нм і 1550 нм. У цьому навчальному матеріалі ми зосереджуємося на фотодіоді, призначеному для виявлення випромінювання на довжині хвилі 1550 нм, однієї з основних довжин хвиль, що використовуються в сучасних системах оптичного зв’язку.

Вибір напівпровідникових матеріалів має особливо важливе значення для фотодіодів, які працюють на цій довжині хвилі. Щоб фотон поглинув світло шляхом прямого переходу між зонами, його енергія має бути принаймні рівною ширині забороненої зони напівпровідника. Енергія фотона визначається за формулою:

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

Як показано на ??, індієвий фосфід (InP) має ширину забороненої зони при кімнатній температурі, що становить приблизно 1,34 еВ. Оскільки енергія фотона з довжиною хвилі 1550 нм менша за цю ширину забороненої зони, він не може безпосередньо збудити електрон із валентної зони в зону провідності. Отже, InP є прозорим у цьому діапазоні довжин хвиль, що робить його придатним для використання в прозорих шарах, через які світло потрапляє у фотодіод.

На відміну від цього, In0.53Ga0.47As, який має відповідну кристалічну структуру, характеризується значно меншою шириною забороненої зони, приблизно 0,74–0,75 еВ. Отже, фотон із довжиною хвилі 1550 нм має достатньо енергії, щоб збудити електрон і перевести його в зону провідності, залишаючи в валентній зоні позитивний заряд (дірку). У результаті цього процесу утворюються електронно-діркові пари, які зумовлюють електричну реакцію фотодіода. Різна ширина забороненої зони InP та InGaAs дозволяє поєднувати в одному пристрої прозорі напівпровідникові шари з областю InGaAs, яка сильно поглинає світло. Точні значення меж зон, отримані в результаті моделювання, залежать від параметрів матеріалу, обраних у OghmaNano.

Пристрій використовує p–i–n напівпровідникову структуру, що складається з InP p-типу, номінально внутрішньої області InGaAs, яка поглинає випромінювання, та InP n-типу. Відносно низька концентрація домішок у внутрішній області дозволяє області збіднення поширюватися на значну частину поглинаючого шару. Застосування зворотного зміщення збільшує електричне поле в цій області, змушуючи фотогенерувані електрони та дірки рухатися до протилежних контактів. Утворений фотострум дає змогу виміряти інтенсивність падаючого оптичного випромінювання.

2. Відкриття попередньо налаштованої симуляції та ознайомлення з її структурою.

Для початку запустіть OghmaNano та натисніть «Нова симуляція» на стрічці інструментів «Файл». Відкриється бібліотека симуляцій, як показано на ??. Двічі клацніть на «GaAs demos», щоб відкрити доступні приклади напівпровідникових пристроїв III–V (??). Виберіть InGaAs/InP PIN-фотодіод (1550 нм), вкажіть папку для збереження та натисніть «Зберегти». OghmaNano створить нову симуляцію, яка міститиме повну структуру фотодіода, параметри матеріалів, параметри оптичного освітлення та параметри електричної симуляції.

Перевага використання попередньо встановлених налаштувань полягає в тому, що пристрій готовий до моделювання, і немає потреби створювати його з нуля. Після завантаження в головному вікні OghmaNano відображається InGaAs/InP PIN-фотодіод у вкладці «Структура пристрою» (??). Зелені стрілки позначають падаюче світло, а кольорові шари відображають структуру напівпровідника. У цьому прикладі використовується одномірна електрична модель планарного фотодіода, а сам пристрій зображено в тривимірному вигляді для кращої візуалізації.

2.1 Конструкція пристрою та напівпровідникові шари

Фотодіод складається з чотирьох напівпровідникових шарів, розташованих від освітленої поверхні до заднього контакту. Пристрій містить внутрішній поглинач InGaAs товщиною 2 мкм, який розміщений між p-типом і n-типом шарів InP. InP з більшою шириною забороненої зони дозволяє світлу з довжиною хвилі 1550 нм досягати поглинача InGaAs, забезпечуючи при цьому напівпровідниковий перехід і області електричного контакту. Структура шарів узагальнена нижче.

Щоб переглянути структуру, натисніть кнопку «Редактор шарів» у лівій частині вкладки «Структура пристрою». У редакторі (??) відображається товщина, оптичний матеріал і тип моделювання для кожного шару. У цьому прикладі оптичні властивості InP та InGaAs взято з оптичних моделей матеріалів Adachi в базі даних матеріалів OghmaNano materials database. Ці моделі містять показник заломлення та коефіцієнт поглинання, що залежать від довжини хвилі, і використовуються оптичним розв’язувачем.

Поглинач InGaAs відповідає за перетворення падаючих фотонів з довжиною хвилі 1550 нм на електронно-діркові пари. Відносно вузька заборонена зона дозволяє йому поглинати це ближнє інфрачервоне випромінювання, тоді як навколишні шари InP мають ширшу заборонену зону і є переважно прозорими на робочій довжині хвилі. Поглинач зазвичай не легований, що дозволяє створити значне електричне поле в його об’ємі, коли до фотодіода прикладається зворотна напруга. Це поле розділяє фотогенерувані електрони та дірки і направляє їх до протилежних контактів.

2.2 Характеристики легування, склад сплаву та електричні параметри матеріалу.

Електричні властивості фотодіода InGaAs/InP типу PIN значною мірою залежать від концентрації домішок, складу напівпровідника та матеріальних параметрів. Відкрийте вкладку «Електричні властивості» та виберіть «Домішки/Іони», щоб переглянути профіль домішок (??). p+ шар InP містить концентрацію акцепторів 1 × 1024 м−3, тоді як n-тип область InP містить 3 × 1022 м−3 донорів. n+ контакт InP має вищу концентрацію домішок, а саме 1 × 1024 м−3 донорів.

Зверніть увагу, що в центральній області InGaAs не передбачено навмисного легування. Утворена структура p–i–n призводить до того, що область збіднення поширюється переважно в межах поглинаючого шару InGaAs. Це бажано для фотодіодів, оскільки електричне поле сприяє розділенню фотогенерованих електронно-діркових пар і транспортуванню носіїв заряду до відповідних контактів до того, як вони рекомбінують. Отже, профіль легування відіграє важливу роль у визначенні вбудованого електричного поля, збиранні носіїв заряду та характеристик при зворотному зміщенні пристрою.

Поглинач InGaAs є трикомпонентним напівпровідниковим сплавом, а не чистою сполукою. Його склад – In0,53Ga0,47As, що приблизно відповідає кристалічній структурі InP. Щоб перевірити склад сплаву, відкрийте редактор «Градиенти/Деформація» на панелі інструментів «Електрика» (??).

На графіку показано, що значення змінної x, яка визначає склад, дорівнює 0,53 по всій товщині шару InGaAs і дорівнює нулю за його межами. У цьому прикладі x представляє собою частку індію, тоді як частка галію дорівнює 1 − x = 0,47. Склад матеріалу є однорідним по всьому об’єму поглинача, хоча OghmaNano також дозволяє визначати градієнти складу. Зміна складу сплаву впливає на властивості матеріалу, такі як ширина забороненої зони, рухливість носіїв заряду та вирівнювання енергетичних зон напівпровідника, і, отже, може впливати як на оптичне поглинання, так і на електричну провідність.

Окрім легування та складу сплаву, електричні характеристики фотодіода залежать від параметрів напівпровідникового матеріалу, таких як ширина забороненої зони, спорідненість до електронів, ефективна щільність станів, рухливість носіїв заряду та коефіцієнти рекомбінації. Ці параметри визначають зміщення зон провідності та валентності на гетеропереходах InP/InGaAs і впливають на те, наскільки ефективно електрони та дірки переміщуються в пристрої.

Щоб переглянути ці властивості, поверніться до головного вікна OghmaNano, виберіть вкладку «Структура пристрою» та натисніть «Електричні параметри» в лівій панелі інструментів. Відкриється вікно редактора електричних параметрів редактор електричних параметрів (??). У редакторі є окрема вкладка для кожного напівпровідникового шару, що дозволяє незалежно переглядати властивості областей p+ InP, внутрішнього InGaAs, n-типу InP та n+ InP.

У цьому прикладі дані про електричні властивості матеріалу отримано з OghmaNano. база даних з електротехнічних матеріалівЗамість простого зберігання фіксованих числових значень, база даних містить Матеріальні моделі Lua. які обчислюють властивості напівпровідників як функції змінних, наприклад, температури та складу сплаву. Редактор коду відображає сценарій Lua, пов’язаний із обраним матеріалом, водночас Параметри за допомогою цієї вкладки можна переглянути відповідні числові значення матеріальних властивостей.

Однією з переваг використання бази даних електричних матеріалів є те, що властивості напівпровідників можуть залежати від температури та складу сплаву, а не розглядатися як фіксовані константи. Наприклад, модель матеріалу InP, наведена в ??, обчислює залежність ширини забороненої зони від температури за допомогою рівняння Варшні:

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

Тут \(E_g(0)\) – це ширина забороненої зони при нульовій температурі, тоді як \(\alpha\) і \(\beta\) – параметри, що залежать від матеріалу. Модель матеріалу InP використовує цю залежність для обчислення ширини забороненої зони, яка становить приблизно 1,35 еВ при 300 К. Модель матеріалу InGaAs може аналогічно описувати властивості, що залежать від складу, дозволяючи змінам у частці індію впливати на змодельовану зонну структуру напівпровідника.

Ці матеріальні взаємозв’язки мають особливе значення для гетеропереходів напівпровідників III–V групи. Різниця в ширині забороненої зони та спорідненості до електронів між InP та InGaAs призводить до розривів у зонах провідності та валентності. Ці розриви в зонах можуть впливати на ін’єкцію, екстракцію та рекомбінацію носіїв заряду. Відповідні діаграми зон ми розглянемо пізніше в цьому навчальному посібнику.

3. Запуск моделювання та аналіз характеристик струм-напруга (J–V).

Щоб запустити моделювання InGaAs/InP PIN-фотодіода, натисніть на синю кнопку. Запустити моделювання. кнопка в Файл стрічка або натисніть F9Відкрийте. Термінал перейдіть на вкладку, щоб відстежувати хід обчислення (??). Цей приклад уже налаштовано з використанням відповідних напівпровідникових шарів, параметрів матеріалів та оптичного освітлення, тому перед запуском не потрібне додаткове налаштування.

Спочатку OghmaNano виконує оптичні обчислення, визначаючи, як поглинається падаюче світло з довжиною хвилі 1550 нм у напівпровідникових шарах, і розраховує утворення електронно-діркових пар. Після завершення оптичних обчислень програма починає сканування залежності струм-напруга (J–V), подаючи серію напруг на фотодіод і обчислюючи отриману щільність електричного струму.

Для кожної заданої напруги OghmaNano розв’язує рівняння Пуассона разом із рівняннями дрейфу та дифузії електронів і дірок, а також рівняннями неперервності. Швидкість оптичної генерації забезпечує джерело фотогенерованих носіїв заряду в межах електричної моделі. Додаткову інформацію можна знайти в розділах теорія моделювання дрейфу та дифузії та оптична матрична модель передачі.

На дисплеї пристрою відображається напруга, що подається на верхній і нижній контакти, а також розрахована щільність струму в А/м². Значення, позначене як top=, показує напругу, що подається на верхній контакт, а btm= – напругу на нижньому контакті, яка підтримується на рівні 0 В. Величина f()= є числовим залишком обчислень, що виконуються електричним розв’язувачем, і показує, наскільки точно розраховане рішення відповідає рівнянням, що описують напівпровідник.

У цьому прикладі напругу змінюють від приблизно −2 В до +0,5 В, охоплюючи режими роботи як при зворотному, так і при прямому зміщенні. Зверніть увагу, що величина фотоструму залишається приблизно постійною на рівні −6,12 А/м² на значній частині області зворотного зміщення. Це характерно для PIN-фотодіода, коли фотогенерувані електрони та дірки ефективно збираються внутрішнім електричним полем.

У міру збільшення прикладеної напруги до позитивного значення, прямий струм діода швидко зростає і зрештою перевищує фотострум (??). Після завершення обчислень виберіть вкладку «Результати» (??). Тут відображаються файли, створені в результаті моделювання, зокрема електричні характеристики J–V, оптичні результати, інформація про моделювання та просторово розділені знімки.

3.1 Аналіз кривої залежності струму від напруги при освітленні.

Щоб проаналізувати електричні характеристики фотодіода, двічі клацніть на елементі jv.csv на вкладці «Вихідні дані». Відкриється графік залежності щільності фотоструму від напруги (??). На графіку відображено щільність струму, що протікає через пристрій, як функцію прикладеної напруги. Від’ємний струм при зворотному зміщенні відповідає умовним позначенням, які використовуються компанією OghmaNano.

На графіку залежності струму від напруги (J–V крива) можна виділити дві чіткі області. За умов зворотного зміщення щільність струму залишається приблизно постійною на рівні −6,12 А/м². Це свідчить про те, що збільшення зворотної напруги призводить до відносно невеликого додаткового фотоструму, що узгоджується з ефективним збиранням фотогенерованих носіїв заряду.

За умови прямого зміщення струм швидко зростає, оскільки електрони та дірки ін’єктуються через перехід. Отримане експоненційне збільшення є характерною ознакою поведінки напівпровідникового діода. Хоча один і той самий пристрій може працювати як за умови прямого, так і зворотного зміщення, фотодіоди, які використовуються для оптичного виявлення, зазвичай працюють за умови зворотного зміщення, щоб покращити збір носіїв заряду та швидкість реагування.

3.2 Порівняння характеристик струм-напруга для освітлених і темних ділянок.

Зараз ми можемо дослідити, яка частина електричного струму зумовлена падаючим світлом. Для цього ми повторимо моделювання, вимкнувши освітлення, і порівняємо отримані характеристики струму та напруги у темряві та при освітленні. Обидва результати показано на ?? і ??.

У головному вікні OghmaNano виберіть опцію «Оптична смуга» (??). Знайдіть елемент керування з назвою «Інтенсивність світла (Сонячне світло)». Хоча в інтерфейсі використовується слово «Сонячне світло», цей елемент керування діє як множник для обраного спектра джерела світла. Це не обов’язково означає, що пристрій освітлюється сонячним світлом.

Наприклад, стандартний сонячний спектр AM1.5G має інтегровану інтенсивність випромінювання приблизно 1000 Вт/м². Якщо обрано цей спектр, то коефіцієнт 1,0 відповідає інтенсивності випромінювання одного Сонця. Однак, наш фотодіод InGaAs/InP використовує лазерний спектр з довжиною хвилі 1550 нм, а не сонячне світло. Якщо інтегрована інтенсивність випромінювання лазерного спектра становить 10 Вт/м², то коефіцієнт 1,0 дає вхідну оптичну потужність 10 Вт/м², а не 1000 Вт/м².

Щоб обчислити. темна характеристична крива J–V, змінити Інтенсивність світла (в сонячних одиницях) від 1. 0 до 0.0Це вимикає оптичне генерування від обраного джерела світла. Натисніть. Запустити моделювання. ще раз або натисніть F9і дочекайтеся завершення обчислень.

Поверніться до вкладки «Результат» і двічі клацніть jv.csv, щоб переглянути графік вольт-амперної характеристики в темряві. Зверніть увагу, що зворотний струм зараз значно менший, ніж під час освітлення. Пристрій, як і раніше, демонструє звичне експоненційне збільшення прямого струму, але струм, що генерується світлом, більше не спостерігається.

Різниця між фотострумом, що виникає при освітленні, і фотострумом у темряві визначає щільність фотоструму, який утворюється внаслідок поглинання падаючих фотонів:

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

Тут \(J_{\mathrm{light}}\) – це щільність фотоструму, а \(J_{\mathrm{dark}}\) – щільність струму, розрахована без освітлення за однакової прикладеної напруги. Знак фотоструму залежить від умовної системи відліку струму, тому для розрахунку чутливості використовується його абсолютна величина.

Фотострум приблизно пропорційний падальній оптичній потужності, коли детектор працює в лінійному режимі. Отже, фотодіод може вимірювати зміни оптичної інтенсивності шляхом контролю отриманого електричного струму. Цей зв’язок кількісно визначається чутливістю фотодіода, яку ми розрахуємо пізніше в цьому навчальному матеріалі.

Надзвичайно малий темний струм, передбачений цією моделлю, відображає фізичні механізми, які враховано в ній. Реальні фотодіоди InGaAs/InP можуть демонструвати додатковий темний струм, спричинений об’ємною генерацією-рекомбінацією, дефектами на межі поділу, поверхневими витоками та генерацією носіїв заряду під дією електричного поля. Отже, розрахований темний струм не слід автоматично інтерпретувати як темний струм виготовленого пристрою.

3.3 Аналіз інформації, отриманої в результаті моделювання.

Окрім кривої J–V, OghmaNano створює файл під назвою sim_info.dat, який можна відкрити на вкладці «Результати» (??). Цей файл містить зведену інформацію про електричні величини, розраховані під час моделювання, зокрема про характерні напруги, щільність струму, концентрацію носіїв заряду, рухливість та інші параметри пристрою.

Деякі з показників, представлених у цьому файлі, такі як щільність струму короткого замикання, напруга холостого ходу, коефіцієнт заповнення та ефективність перетворення енергії, в основному призначені для фотоелектричного моделювання. Хоча OghmaNano може обчислювати ці показники для фотодіода, зазвичай вони не використовуються для характеристики характеристик оптичного детектора, що працює в режимі зворотного зміщення. Для фотодіодів важливішими показниками є чутливість, зовнішня квантова ефективність, струм у темряві та спектральна характеристика.

У наступних розділах ми розглянемо профіль оптичного генерування, діаграми енергетичних зон і транспорт носіїв заряду в InGaAs/InP PIN-фотодіоді. Потім ми використаємо обчислені значення фотоструму та потужності падаючого оптичного випромінювання, щоб визначити чутливість пристрою на довжині хвилі 1550 нм.

4. Дослідження оптичного поглинання та зміни довжини хвилі освітлення.

У попередньому розділі ми розглянули електричну реакцію InGaAs/InP PIN-фотодіода під час освітлення. Тепер ми дослідимо, як світло поширюється крізь напівпровідникові шари та де поглинаються падаючі фотони. Ми також змінимо довжину хвилі освітлення, щоб продемонструвати, чому цей пристрій особливо добре підходить для виявлення в ближній інфрачервоній області спектру.

У цьому прикладі використовується лазер із довжиною хвилі 1550 нм, що відповідає довжині хвилі, яка зазвичай використовується в оптичних волоконних лініях зв’язку. При цій довжині хвилі енергія фотона становить приблизно 0,80 еВ. Це значення менше за ширину забороненої зони InP (приблизно 1,35 еВ), але більше за ширину забороненої зони In0,53Ga0,47As, яка має відповідну кристалічну структуру (приблизно 0,75 еВ). Отже, шари InP значною мірою прозорі для падаючого світла, що дозволяє йому досягати поглинача InGaAs.

4.1 Спостереження за оптичним поглинанням і генерацією носіїв заряду

Щоб проаналізувати оптичні характеристики пристрою, поверніться до головного вікна OghmaNano та виберіть вкладку «Оптика». Натисніть «Матриця передачі», щоб відкрити редактор оптичного моделювання. У цьому вікні відображаються результати оптичних обчислень, і ви можете вивчити, як світло взаємодіє з напівпровідниковими шарами.

Оберіть вкладку «Розподіл поглинених фотонів» (??). На ній відображається розподіл поглинених фотонів у залежності від довжини хвилі та положення всередині пристрою. Горизонтальна вісь відображає положення в шарах напівпровідника, а вертикальна вісь – довжину хвилі падаючого світла. Кольорова шкала показує локальну щільність поглинених фотонів.

Зверніть увагу, що поглинені фотони концентруються в області довжини хвилі близько 1550 нм, що відповідає вузькому спектру лазера. Поглинання відбувається переважно в шарі InGaAs, а не в шарі InP. Саме цього ми прагнемо досягти у фотодіоді InGaAs/InP, призначеному для виявлення в ближній інфрачервоній області спектру.

Тепер виберіть вкладку «Швидкість генерації» (??). На ній відображається просторово розподілена швидкість генерації, G(y), в одиницях м⁻³ с⁻¹. Швидкість генерації показує кількість електронно-діркових пар, що утворюються в одиниці об’єму за секунду.

На схемі також показано структуру напівпровідникового шару та енергії зони провідності та валентної зони матеріалів, що дає змогу безпосередньо пов’язати профіль оптичної генерації з гетеропереходами InP/InGaAs. Зверніть увагу на різке збільшення генерації на початку шару InGaAs, після чого спостерігається поступове зменшення в міру поширення світла через поглинач.

Коливання в профілі генерації виникають внаслідок оптичної інтерференції всередині багатошарової структури. Відбите від напівпровідникових меж світло інтерферує зі світлом, що поширюється в прямому напрямку, що призводить до змін оптичної інтенсивності, а отже, і до змін у генерації носіїв заряду. Для показника заломлення, що приблизно дорівнює 3,5, характерний період інтерференції становить \(\lambda/(2n)\), що відповідає приблизно 220 нм при довжині хвилі 1550 нм.

Обраний лазерний спектр також можна переглянути, повернувшись до головного вікна OghmaNano та натиснувши «Джерела світла» на панелі інструментів «Оптика». Відкриється редактор джерел світла (??). Обраним джерелом є лазер із довжиною хвилі 1550 нм і коефіцієнтом інтенсивності 1,0. Натисніть «Відтворити», щоб відобразити спектр. Зверніть увагу на вузький пік, розташований у центрі на 1550 нм, що пояснює, чому поглинання відбувається у такому вузькому діапазоні довжин хвиль.

OghmaNano обчислює оптичне поле всередині пристрою, використовуючи метод матриці передачі, враховуючи відбиття, пропускання та інтерференцію на межах напівпровідника. Поглинута оптична енергія потім перетворюється на просторово розподілену швидкість генерації, яка передається в модуль розв’язання рівнянь дрейфу та дифузії електричного струму.

Для монохроматичного освітлення швидкість генерації може бути пов’язана з локальною оптичною інтенсивністю за допомогою наступної формули:

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

де \(\alpha\) – коефіцієнт поглинання, \(I\) – локальна оптична інтенсивність, \(h\) – стала Планка, а \(c\) – швидкість світла. Для джерела, що випромінює світло на кількох довжинах хвиль, внески інтегруються по всьому спектру. Додаткову інформацію можна знайти в документації до моделі оптичної матриці передачі.

4.2 Зміна довжини хвилі освітлення

Тепер ми розглянемо, що відбувається, коли значно змінюється довжина хвилі освітлення. Поверніться до редактора джерела світла та знайдіть поле вибору «Спектр» на вкладці «Джерело світла». Змініть вибраний спектр з «1550 нм, лазер» на «thorlabs/565 нм», що відповідає зеленому світлодіоду.

Залиште значення коефіцієнта джерела на рівні 1,0 і натисніть кнопку «Відтворити», щоб створити новий спектр (??). Зверніть увагу, що світлодіод випромінює світло в набагато ширшому діапазоні довжин хвиль, ніж лазер, при цьому пік випромінювання припадає на значення близько 565 нм.

Закрийте редактор джерела світла та поверніться до редактора оптичного моделювання, натиснувши кнопку «Матриця передачі» на головній панелі інструментів «Оптика». Натисніть кнопку «Запустити оптичне моделювання», щоб перерахувати оптичне поглинання з використанням нового джерела світла. Виберіть вкладку «Розподіл поглинених фотонів», щоб переглянути результат (??).

Зараз схема поглинання значно відрізняється. При довжині хвилі 565 нм енергія фотона становить приблизно 2,19 еВ, що перевищує ширину забороненої зони InP. Отже, падаюче світло сильно поглинається в області p+ InP, поблизу освітленої поверхні. Дуже незначна кількість світла досягає внутрішнього шару InGaAs, який є поглиначем.

Перш ніж продовжити, відновіть налаштування джерела світла до значення 1550 нм для лазера та натисніть кнопку «Відновити». Це забезпечить використання початкового значення освітлення 1550 нм у наступних моделюваннях.

7. Аналіз діаграм енергетичних зон.

Ми можемо використовувати OghmaNano для вивчення того, як змінюються енергетичні зони під впливом прикладеної напруги та освітлення. У головному вікні виберіть вкладку «Результати» та двічі клацніть snapshots, щоб відкрити переглядач знімків моделювання. Натисніть кнопку «+», щоб додати криві, і використовуйте випадаючі меню «Файл», щоб вибрати Ec.csv (нижню межу зони провідності), Ev.csv (нижню межу валентної зони), Fn.csv (квазі-рівень Фермі для електронів) і Fp.csv (квазі-рівень Фермі для дірок). За допомогою повзунка під графіком можна переміщатися між різними значеннями прикладеної напруги.

7.1 Енергетичні зони в темряві

Спочатку проаналізуйте результати, коли освітлення вимкнено. На трьох графіках нижче показано стан пристрою при напрузі −0,6 В, 0 В і +0,45 В. При 0 В пристрій перебуває в стані термічної рівноваги: рівні Фермі для електронів і дірок збігаються і залишаються незмінними по всьому пристрою. Це означає, що немає чистого потоку електронів або дірок, хоча зони провідності та валентності мають нахил у внутрішній області InGaAs.

Нахил смуг відображає вбудоване електричне поле, яке виникає на межі між p-типом і n-типом напівпровідників. У стані рівноваги струми дрейфу та дифузії компенсують один одного, утворюючи нульовий сумарний струм. Зверніть увагу також на різкі переходи в зонах провідності та валентності на межах InP/InGaAs. Це зміщення смуг у гетеропереходах, спричинене відмінностями в ширині забороненої зони та спорідненості електронів двох напівпровідників.

За умов зворотного зміщення (−0,6 В) енергетичні зони стають крутішими, що свідчить про збільшення напруженості електричного поля. Рівні квазі-Фермі для електронів і дірок розходяться, оскільки контакти підтримуються на різних електрохімічних потенціалах. Їхні нахили вказують на рушійні сили для транспортування електронів і дірок: плоский рівень квазі-Фермі відповідає нульовому струму для даного носія заряду, тоді як наявність градієнта вказує на те, що струм тече.

За умови прямого зміщення (+0,45 В) прикладена напруга протидіє вбудованому потенціалу, і енергетичні зони стають більш плоскими. Зменшена потенціальна бар’єр дозволяє електронам і діркам проникати в область переходу. Це призводить до швидкого збільшення струму, що спостерігається в області прямого зміщення на кривій залежності струму від напруги (J–V).

7.2 Енергетичні зони під час освітлення

Відновіть роботу лазера з довжиною хвилі 1550 нм, встановіть коефіцієнт підсилення освітлення на 1,0 і повторно запустіть моделювання. Знову відкрийте snapshots на вкладці «Результати» та за допомогою повзунка перегляньте результати освітлення. На трьох графіках, наведених нижче, показано значення −1,8 В, 0 В і +0,45 В.

Важливою відмінністю під час освітлення є те, що поглинуті фотони створюють додаткові електрони та дірки в шарі InGaAs. Ці носії зарядів виводяться з термічної рівноваги, тому рівні квазі-Фермі для електронів і дірок розділяються. Це розділення відображає різні концентрації електронів і дірок: \(F_n\) описує концентрацію електронів, а \(F_p\) – концентрацію дірок.

При напрузі −1,8 В сильне електричне поле змушує фотогенерувані електрони та дірки рухатися до протилежних контактів. Зверніть увагу, що квазірівні Фермі мають різний нахил у всьому об’ємі поглинача, що відображає транспорт електронів і дірок через пристрій. Це поле дозволяє фотодіоду ефективно збирати носії заряду, що пояснює майже постійний зворотний фотострум, який спостерігався раніше.

При напрузі 0 В під дією світла смуги зберігають свій початковий нахил, але рівні квазі-Фермі для електронів і дірок більше не збігаються в усіх точках. На відміну від випадку, коли пристрій перебуває в стані рівноваги в темряві, він генерує та збирає носії заряду, створюючи фотострум навіть за відсутності зовнішньої прикладеної напруги. Отже, рівні квазі-Фермі показують, що пристрій більше не перебуває в термічній рівновазі.

За умови прямого зміщення (+0,45 В) енергетичні зони стають майже плоскими по всій площині поглинача InGaAs. Слабше електричне поле зменшує збір носіїв заряду, що відбувається під дією дрейфу, тоді як ін’єкція та дифузія носіїв стають дедалі важливішими. Рівні квазі-Фермі залишаються розділеними, що відображає нерівноважний стан електронної та діркової популяцій за наявності прикладеної напруги.

Найважливіше полягає в тому, що нахил енергетичних зон показує внутрішнє електричне поле, а квазірівні Фермі показують, як електрони та дірки реагують на освітлення та прикладену напругу. Разом ці величини пояснюють, як фотодіод генерує та передає електричний струм.

8. Обчислення чутливості фотодіода.

Однією з найважливіших характеристик фотодіода є його чутливість, яка визначає величину електричного струму, що генерується на одиницю падаючої оптичної потужності. Її обчислюють як різницю між щільністю струму при освітленні та щільністю струму в темряві:

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

Тут \(P_{\mathrm{in}}\) – це оптична потужність падаючого випромінювання в Вт/м². Для нашого моделювання зворотний фотострум становить приблизно 6,12 А/м². За умови, що потужність падаючого лазерного випромінювання становить 10 Вт/м², а струм у стані відсутності освітлення незначний, чутливість становить приблизно 0,61 А/Вт.

На довжині хвилі 1550 нм теоретичний максимальний коефіцієнт чутливості, коли на один влучений фотон припадає один зібраний електрон, становить приблизно 1,25 А/Вт. Отже, розраховане нами значення відповідає зовнішній квантовій ефективності приблизно 49%. Відхилення від ідеального значення може бути спричинене оптичним відбиттям, неповним поглинанням і втратами під час збору носіїв заряду.

Спробуйте змінити товщину поглинального шару InGaAs і повторіть обчислення. Як змінюється чутливість?

10. Подальші розслідування/дослідження

Після того, як еталонний фотодіод запрацює, поступова зміна одного параметра за раз може допомогти визначити, які частини пристрою контролюють його реакцію.

8. Обчислення зовнішнього квантового виходу (ЗКВ).

Зовнішня квантова ефективність (ЗКЕ) визначає відсоток падаючих фотонів, які сприяють утворенню електричного струму. На відміну від кривої залежності струму від напруги (J–V), яка вимірює реакцію на конкретне джерело світла, ЗКЕ показує, наскільки ефективно фотодіод реагує на світло різних довжин хвиль.

Щоб обчислити ККЕ (коефіцієнт квантової ефективності), спочатку змініть джерело освітлення на широкосмуговий спектр. У головному вікні OghmaNano виберіть вкладку «Оптика» та натисніть «Джерела світла» (значок маяка). У редакторі джерела світла змініть спектр на AM1.5G і натисніть «Відтворити» (??). Широкосмуговий спектр необхідний, оскільки ми хочемо обчислити реакцію фотодіода в широкому діапазоні довжин хвиль, а не лише на довжині хвилі 1550 нм.

Далі поверніться до головного вікна та виберіть. Тип моделювання виберіть і натисніть ЕКЕ (Електричний контрольний етап) (??). Натисніть Запустити моделювання.або натисніть F9OghmaNano обчислює відгук на різних довжинах хвиль, щоб визначити, наскільки ефективно падаючі фотони перетворюються на зібраний заряд.

Після завершення моделювання відкрийте вкладку «Результати» (??). Результати містять дані про зовнішню квантову ефективність (EQE) та внутрішню квантову ефективність (IQE), а також додаткові файли, що описують оптичну характеристику. Двічі клацніть eqe.csv, щоб відобразити EQE у вигляді функції довжини хвилі (??).

Розрахований показник ККЕ (коефіцієнт квантової ефективності) досягає приблизно 98 % у діапазоні 850 нм і залишається відносно високим у широкому діапазоні довжин хвиль. При призначеній робочій довжині хвилі 1550 нм, ККЕ становить приблизно 70–75 %. Зменшення показника на більших довжинах хвиль відбувається тому, що енергія фотонів наближається до ширини забороненої зони InGaAs, що призводить до зменшення оптичного поглинання в абсорбері.

На показник EQE також впливають умови освітлення. Напівпровідникові пристрої можуть демонструвати нелінійну поведінку внаслідок рекомбінації та транспортування носіїв заряду, тому розрахована ефективність може змінюватися залежно від інтенсивності світла. Хоча ми використовуємо AM1.5G для забезпечення широкосмугового освітлення, для конкретного застосування фотодетектора бажано оцінювати EQE, використовуючи інтенсивність світла, яка відповідає очікуваним умовам експлуатації.

Залежність між коефіцієнтом квантової ефективності (EQE) і чутливістю фотодіода полягає в тому, що

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

На довжині хвилі 1550 нм, значення зовнішньої квантової ефективності (EQE) в 75 % відповідає чутливості приблизно 0,94 А/Вт. Це дає можливість встановити корисний зв’язок між змодельованою спектральною характеристикою та електричним фотострумом, розрахованим раніше в цьому навчальному посібнику.

9. Підсумок і основні висновки

У цьому навчальному посібнику ми використали OghmaNano для моделювання InGaAs/InP PIN-фотодіода, розробленого для оптичного виявлення на довжині хвилі 1550 нм. Починаючи з попередньо налаштованого пристрою, ми проаналізували його напівпровідникову структуру, профіль легування, склад сплаву та електричні параметри матеріалу.

Потім ми розрахували характеристики струм-напруга (J–V) для темного та освітленого станів, дослідили оптичне поглинання та генерацію носіїв заряду, а також вивчили, як енергетичні зони та квазірівні Фермі змінюються під впливом прикладеної напруги та освітлення. Порівнявши лазер довжиною хвилі 1550 нм із світлодіодом довжиною хвилі 565 нм, ми показали, як вікно з InP дозволяє майже інфрачервоному світлу досягати поглинача InGaAs, поглинаючи при цьому значну частину видимого світла.

Насамкінець ми розрахували зовнішню квантову ефективність (ЗКЕ) як функцію довжини хвилі та дослідили її взаємозв’язок із чутливістю фотодіода. У сукупності ці моделювання демонструють, як OghmaNano поєднує обчислення на основі оптичної матриці передачі з електричним моделюванням дрейфу та дифузії для прогнозування поведінки напівпровідникових фотодетекторів.

Тепер ви можете експериментувати зі зміною товщини поглинача, складу сплаву, концентрації домішок або довжини хвилі освітлення, щоб дослідити, як ці параметри впливають на характеристики фотодіода.

Для отримання додаткової інформації про імпорт користувацьких лазерних і світлодіодних спектрів, зверніться до Бази даних оптичних спектрів. У Базі даних електричних матеріалів описано, як можна визначити властивості напівпровідникових матеріалів за допомогою скриптів Lua.