[发明专利]一种Ge/SiSACM结构雪崩光电二极管的等效电路模型建立方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电二极管技术领域，涉及一种Ge/Si SACM结构雪崩光电二极管的等效电路模型建立方法。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，作为光通信网络重要部分的光接收机，主要使用具有内部增益的雪崩光电二极管(APD)作为其前端光电转化模块。早期的APD大多是基于InGaAs/InP等III-V族半导体材料制成，但其制作成本高、导热性能和机械性能较差以及与现有的成熟的Si工艺兼容性差等缺点限制了其在Si基光电集成技术中的应用。

有鉴于此，人们提出了一类将吸收层、电荷层及雪崩层分离的雪崩二极管(SACM-APD)结构的Ge/Si光电探测器，其增益带宽积可达340GHz,足以与目前的III-V族材料探测器媲美。由于Ge材料的直接带隙约为0.67eV对近红外光良好的吸收率以及硅理想的空穴/电子电离比(k<0.1)，特别是Ge与现有的Si工艺能完全兼容，因此利用Ge/Si异质结技术制造的SCAM-APD器件具有灵敏度高,响应速度快,工作频率范围宽等特点,在高速光通信系统中有着非常巨大的应用前景。

Ge/Si SACM-APD器件的工作原理即为以较窄禁带宽度材料Ge作为光吸收区，提供长波长的灵敏度，以较宽禁带材料Si作为倍增区来减小隧穿电流，光的吸收和电荷的倍增分别发生在Ge和Si结构中，从而将吸收区、倍增区独立分开，吸取两种材料各自的优势进行工作，这种结构能有效的降低雪崩光电二极管的暗电流。为了获得较高的量子效率，器件需要具有较厚的耗尽区，同时为了获得雪崩增益,耗尽区还要有足够大的电场，这使得器件需要较高的偏置电压来确保雪崩倍增过程的发生。因此在吸收层与倍增层之间引入电荷层，电荷层可以降低吸收层的电场从而提高倍增层的有效电场，即吸收层与倍增层之间形成较大的电场落差，确保雪崩倍增的发生的同时也大大提高了器件速率和响应度。

建立APD等效电路模型，并用EDA软件对APD等效电路模型进行器件结构和性能的模拟计算，是一种简单而有效的计算机辅助设计方法。目前，陈维友等人已给出了一个完整的PIN-APD等效电路模型，该模型将APD简化为由P、I、N三层构成的一维结构，考虑了器件耗尽区外过剩少子的扩散和漂移，最后将探测器的载流子速率方程做数学处理推导出等效电路方程的形式。M.Soroosh等在PIN-APD等效电路模型的基础上，建立了分离型雪崩光探测器(SAM-APD)的等效电路模型，但并未给出适合Ge/Si材料的模型。M.J Deen等采用类似“黑盒子”建模的方式建立APD等效电路模型，将传递函数直接等效于一个受控源，在电路中没有直接对应的元件，这样的结构难以在EDA电路模拟软件中直接实现模块式模拟设计。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Ge/Si SACM结构雪崩光电二极管的等效电路模型建立方法，该方法基于Ge/Si异质结特性，从器件内部的物理机理上对Ge/Si SACM-APD器件进行理论分析，然后对APD速率方程、噪声电流、暗电流和寄生参量四部分来建立APD的等效电路模型。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种Ge/Si SACM结构雪崩光电二极管的等效电路模型建立方法，在该方法中，从APD速率方程、噪声电流、暗电流和寄生参量四部分来建立APD的等效电路模型，包括以下步骤：1)将物理模型分解为多个部分，根据每一层结构构造载流子输运方程；2)构造对应于每一部分的子电路模块；3)互联这些子电路模块，建立等效电路模型。

进一步，步骤1)具体包括：

建立Ge/Si SACM结构雪崩光电二极管各层所对应的载流子速率方程，通过空穴和电子的载流子速率方程推导光电路模型；同时，SACM异质结结构，其电荷层和吸收层的电场强度变化很小，而在倍增层的电场强度变化比较陡峭，所以在电荷层和吸收层的电场是均匀的，在倍增层的电场分布是线性变化的；并把倍增层分为m1，m2两个阶梯层。

进一步，在步骤2)中：

为了提高数值的精准性，引入一个常数，它可以看作是一个将电荷转化为对应电压的电容，从而得到各层中载流子的等效电压，从而将所述的光学性能方式转化为电路方程形式，得到电路模型的子模块。

进一步，在步骤3)中：