一种可见光蓝光探测器的模型的设计方法与流程

本发明涉及光电探测器的技术领域，特别涉及一种可见光蓝光探测器的模型的设计方法。

背景技术：

可见光通信可同时兼顾照明与通信功能、优势良多，同时可见光波段具有庞大的潜在信息容量，能够有效地解决无线频谱资源日渐紧缺的问题，所以可见光通信技术受到了广泛关注。随其不断发展，市场对可见光通信系统的数据传输能力提出了更高的要求，然而目前市场上的可见光通信器件尚不能满足高速通信的要求。其中，信号接收端的可见光探测器是通信系统中的关键器件，而蓝光探测器更是接收具有更高频谱带宽的蓝光信道传输的信号的关键器件。所以高性能可见光蓝光探测器的研究是高速可见光通信系统的关键，其探测器的模型与设计又是重要基础。因此，高性能可见光蓝光探测器及其设计方法具有重大的研究意义。

目前可见光通信普遍采用红外波段敏感的硅基探测器，尽管硅基探测器对可见光蓝光波段也能成功响应，但蓝光效率较低，收到背景噪声等干扰较大，因而随着信号传输的距离增大其信号逐渐微弱；硅基探测器的暗电流虽小，但由于硅是间接带隙材料，其响应时间也较慢，限制高速通信发展。目前可见光波段、蓝光波段等探测器的研究工作较少，因此开发设计可见光蓝光探测器无疑是可见光通信技术的重点研究。要实现高性能的可见光蓝光探测器的制备，首先需要探究不同材料和结构对探测器性能的影响，选择合适的材料体系与模型结构。综合对比不同材料和结构参数的探测器模型的性能结果变化，不断优化设计以确定合适的模型。在此过程中，涉及到一种探测器模型的设计方法，即采用基于有限元分析方法的半导体器设计的2D/3D建模软件APSYS仿真设计。APSYS能提供了一个灵活仿真现代半导体器件的环境，软件中包括多种物理模型，如半导体异质结模型、热传输热分析和光电模型等，可通过泊松方程、载流子漂移扩散方程、电流连续性方程、薛定谔方程和光子速率方程等仿真得到光电探测器的I-V曲线图、能带结构图、电子-空穴密度分布图、EL光谱图、内量子效率图和电场、电势、电流分布图等。通过模型设计与性能结果仿真有效对比不同材料、结构等因素对探测器性能的影响。通过有效、系统的仿真模型对研究辅助极大，对设计探测器模型助益良多，所以提出一种仿真设计的方法极具意义。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种可见光蓝光探测器的模型的设计方法，避免了复杂的物理公式计算，通过物理模型与灵活的仿真环境可较为准确地仿真出蓝光探测器的性能，操作简单。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种可见光蓝光探测器的模型的设计方法，包括以下步骤：

(1)利用APSYS软件构建可见光蓝光探测器模型：确定探测器各外延层的材料，厚度和掺杂浓度，并划分网格，建立探测器的结构；

(2)定义可见光蓝光探测器物理效应：定义蓝光探测器各外延层的材料以及外延层材料基本物理性质，通过泊松方程、载流子漂移扩散方程、电流连续性方程、薛定谔方程和光子速率方程，确定可见光蓝光探测器的模型的初始态、薄膜状态、器件所加反向偏压的大小、光源性质、入射光功率、模拟光源性质和扫描光谱范围，规定仿真的步长与精度等模拟运算环境以求解探测器的电流电压特性I-V曲线图、能带结构图、电子-空穴密度分布图、EL光谱图、内量子效率图和电场、电势、电流分布图；

(3)确定数据输出方式：由预期器件结果编写程序语言确定器件结果的数据读取方式与储存位置，将计算机数据语言转换为图形格式并导出对应数据文档，即提取仿真数据输出探测器性能结果；

(4)生成有限元分析模型：将探测器结构模型几何划分为多个计算网格以便有限元分析计算；

(5)运行仿真：对划分好的网格进行有限元分析迭代计算，即在APSYS软件的仿真物理环境中模拟运算，仿真分析可见光蓝光探测器性能；

(6)查看仿真结果：将仿真结果图形化与导出数据文档，以便分析；

(7)确定该可见光蓝光探测器模型的性能参数。

所述探测器的结构MSM、PN、PIN或APD型，或者自定义结构。

所述探测器的结构为PIN型，自下而上包括下电极、N层、I层、P层和上电极。

N层材料为厚度为0.5～2μm，并将N层划分为由下至上厚度递减的12层网格，N掺杂浓度为2×10²³～2×10²⁵m^-3；I层材料厚度为0.5～2μm，并将I层等分为12层网格，I掺杂浓度为3×10¹⁷～3×10²¹m^-3；P层厚度材料厚度为0.15～0.5μm，并将P层划分为由下至上厚度递减的12层网格，P掺杂浓度为2×10²³～2×10²⁵m^-3。

N层材料为Si，I层材料为Si，P层厚度材料为Si。

N层材料为In_0.25Ga_0.75N，I层材料为In_0.25Ga_0.75N，P层厚度材料为In_0.25Ga_0.75N。

步骤(2)所述外延材料基本物理性质，包括材料晶格常数、晶体性质、带隙宽度、电子迁移速率、电离能基本属性和光学参数。

Si材料的光学参数包括在不同入射光波长下材料的折射率n和消光系数k；Si材料在430～480nm的折射率n为4.26～4.77，消光系数k为0.056～0.134。

In_0.25Ga_0.75N材料的光学参数包括在不同入射光波长下材料的折射率n和消光系数k；In_0.25Ga_0.75N材料在430～480nm的折射率n为12.35～13.33，消光系数k为0.042～0.047。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明运用计算机辅助设计软件，利用APSYS软件实现可见光通信的可见光蓝光探测器模型的建立，并通过模拟仿真得出不同材料和结构的蓝光探测器的暗电流、亮电流、量子效率、响应度和响应时间；本发明避免了复杂的物理公式计算，通过物理模型与灵活的仿真环境可较为准确地仿真出蓝光探测器的性能，操作简单。

(2)本发明支持模型的微调，能系统研究各种材料和不同结构对蓝光探测器性能的影响，无需实物检测，节约了时间和成本。

(3)本发明可根据需要仿真不同材料和结构的蓝光探测器，为寻找性能最佳的可见光通信的蓝光探测器提供新思路。

附图说明

图1为本发明蓝光探测器模型的设计方法的流程图。

图2为本发明的实施例的一种PIN结构的可见光蓝光探测器模型示意图。

图3为实施例1Si基可见光蓝光探测器(I＝2μm)模型的响应度随波长变化曲线图。

图4为实施例1Si基可见光蓝光探测器(I＝2μm)模型的响应时间曲线图。

图5为实施例2In_0.25Ga_0.75N基可见光蓝光探测器(I＝2μm)模型的响应度随波长变化曲线图。

图6为实施例2In_0.25Ga_0.75N基可见光蓝光探测器(I＝2μm)模型的响应时间曲线图。

图7为实施例3In_0.25Ga_0.75N基可见光蓝光探测器(I＝1.5μm)模型的响应度随波长变化曲线图。

图8为实施例3In_0.25Ga_0.75N基可见光蓝光探测器(I＝1.5μm)模型的响应时间曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的可见光蓝光探测器的模型的设计方法，包括以下步骤：

(1)利用APSYS软件构建可见光蓝光探测器模型：确定探测器各外延层的材料，厚度和掺杂浓度，并划分网格，建立探测器的结构；

本实施例的蓝光探测器结构模型如图2所示，整体结构为长方形，为PIN型，自下而上包括下电极1、N层2、I层3、P层4、上电极5；其中N层材料为Si，厚度为0.5μm，并将N层划分为由下至上厚度递减的12层网格，N掺杂浓度为2×10²⁵m^-3；I层材料为Si，厚度为2μm，并将I层等分为12层网格，I掺杂浓度为3×10²¹m^-3；P层厚度材料为Si，厚度为0.15μm，并将P层划分为由下至上厚度递减的12层网格，P掺杂浓度为2×10²⁵m^-3；

(2)定义可见光蓝光探测器物理效应：定义蓝光探测器各外延层的材料以及外延层材料基本物理性质，通过泊松方程、载流子漂移扩散方程、电流连续性方程、薛定谔方程和光子速率方程，确定可见光蓝光探测器的模型的初始态、薄膜状态、器件所加反向偏压的大小、光源性质、入射光功率、模拟光源性质和扫描光谱范围，规定仿真的步长与精度等模拟运算环境以求解探测器的电流电压特性I-V曲线图、能带结构图、电子-空穴密度分布图、EL光谱图、内量子效率图和电场、电势、电流分布图；

本实施例中蓝光探测器采用的是Si材料，其基本物理性质包括材料的晶格常数、晶体性质、带隙宽度、电子迁移速率、电离能和光学参数。Si材料的光学参数包括在不同入射光波长下材料的折射率n和消光系数k；Si材料在430～480nm的折射率n为4.26～4.77，消光系数k为0.056～0.134。

(3)确定数据输出方式：由预期器件结果编写程序语言确定器件结果的数据读取方式与储存位置，将计算机数据语言转换为图形格式并导出对应数据文档，即提取仿真数据输出探测器性能结果；本实施例需要得出蓝光探测器的响应度随波长变化曲线和响应时间变化曲线，数据提取的区域为距离蓝光探测器左侧0.5μm的一条由下至上的剖面线，记录线上的性能参数变化，通过计算得出整个蓝光探测器模型响应度和响应时间的变化。

(4)生成有限元分析模型：将探测器结构模型几何划分为多个计算网格以便有限元分析计算；

(5)运行仿真：对划分好的网格进行有限元分析迭代计算，即在APSYS软件的仿真物理环境中模拟运算，仿真分析可见光蓝光探测器性能；

(6)查看仿真结果：将仿真结果图形化与导出数据文档，以便分析；本实施例中得出如图3和图4所示的Si基蓝光探测器(I＝2μm)的响应度随波长变化曲线图和响应时间图。

(7)确定该可见光蓝光探测器模型的性能参数，本实施例得出了对430-480nm蓝光段响应良好，响应度为0.3341A/W，响应时间为35.4ps，I层厚度为2μm的Si基蓝光探测器。

实施例2

本实施例除下述特征外，其余特征均与实施例1相同：

本实施例的N层、I层和P层的材料为In_0.25Ga_0.75N材料；其中In_0.25Ga_0.75N材料的光学参数包括在不同入射光波长下的折射率n和消光系数k；In_0.25Ga_0.75N材料在430～480nm的折射率n为12.35～13.33，消光系数k为0.042～0.047。

如图5～6所示，本实施例得出了对430-480nm蓝光段响应良好，响应度为0.3177A/W，响应时间为19.2ps，I层厚度为2μm的In_0.25Ga_0.75N基蓝光探测器。

实施例3

本实施例除下述特征外，其余特征均与实施例2相同：

本实施例的N层、I层和P层的N层、I层和P层的材料为In_0.25Ga_0.75N材料，N层材料为厚度为2μm，N掺杂浓度为2×10²⁵m^-3；I层材料厚度为0.5μm，I掺杂浓度为3×10¹m^-3；P层厚度材料厚度为0.5μm，P掺杂浓度为2×10²³。

如图7～8所示，本实施例得出了对430-480nm蓝光段响应良好，响应度为0.3071A/W，响应时间为17.1ps，I层厚度为1.5μm的In_0.25Ga_0.75N基蓝光探测器。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。