光子集成電路 (PIC) 是眾多當(dāng)前和下一代產(chǎn)品的關(guān)鍵支撐技術(shù)。PIC 將微電子領(lǐng)域常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料和制造工藝與光的編碼、傳輸和檢測(cè)相結(jié)合，通過(guò)將帶寬與計(jì)算核心之間的距離拉近，改變了數(shù)據(jù)中心的通信方式，并加速了自動(dòng)駕駛領(lǐng)域 LiDAR 和未來(lái)信息處理領(lǐng)域量子計(jì)算等新興應(yīng)用的發(fā)展。

電子和光子之間的連接是通過(guò)能夠在光信道上編碼電信號(hào)，并將光轉(zhuǎn)換回電信號(hào)來(lái)恢復(fù)信息的器件實(shí)現(xiàn)的。在 PIC 中，電光調(diào)制器和光電探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換的基本光電元件。

隨著對(duì)帶寬、功效和靈敏度的需求不斷增長(zhǎng)，需要尖端的仿真技術(shù)將器件模型與制造工藝及其完整的多物理場(chǎng)行為聯(lián)系起來(lái)。將 Silvaco Victory Process 與 Ansys Lumerical 軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)支持 TCAD 的光子器件仿真，為設(shè)計(jì)師和工程師提供了必要的工具，可以完整準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)、分析和優(yōu)化光電器件的行為。

工作流概述

光子集成電路 (PIC) 的光電元件設(shè)計(jì)始于對(duì)物理結(jié)構(gòu)和摻雜分布的精確建模，這些結(jié)構(gòu)和摻雜分布定義了器件的光學(xué)和電學(xué)行為。目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)能夠反映制造后的器件的物理模型。設(shè)計(jì)流程從制造工藝的輸入開(kāi)始：材料和掩模圖案與蝕刻、注入、退火和生長(zhǎng)條件相結(jié)合。雖然結(jié)構(gòu)的幾何 CAD 模型可以作為早期設(shè)計(jì)探索的起點(diǎn)，但使用 Silvaco Victory Process 進(jìn)行工藝仿真對(duì)于建立制造步驟和最終物理結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系是必不可少的。圖 1 說(shuō)明了使用 Victory Process 輸入進(jìn)行光子器件仿真的工作流程。

圖 1. Ansys Lumerical 光子器件仿真工作流程，其中采用 Silvaco Victory Process 的 TCAD 輸入

幾何效應(yīng)（例如受蝕刻影響的側(cè)壁角度和共形沉積的層界面）對(duì)于精確仿真光傳播非常重要 [1]。在光電器件中，注入分布的定義受制造工藝限制，對(duì)于包括調(diào)制效率、暗電流和相關(guān)探測(cè)器靈敏度以及帶寬在內(nèi)的品質(zhì)因素實(shí)現(xiàn)最佳性能取舍至關(guān)重要。在這里，Silvaco Victory Process 再次成為將這些特定行為與制造輸入聯(lián)系起來(lái)的必要條件。

一旦仿真了物理結(jié)構(gòu)（包括材料界面和摻雜分布），就可以輕松地將其從 Silvaco Victory Process 導(dǎo)出并導(dǎo)入 Ansys Lumerical 仿真工具。這種自動(dòng)化數(shù)據(jù)交換過(guò)程可確保幾何形狀和材料在軟件之間準(zhǔn)確映射，并保持工藝仿真中摻雜分布的最準(zhǔn)確表示。

工藝仿真的結(jié)果構(gòu)成了光電設(shè)計(jì)工作流下一階段的輸入：器件仿真。多物理場(chǎng)仿真對(duì)于器件性能的預(yù)測(cè)、分析和優(yōu)化至關(guān)重要?；谖锢斫Y(jié)構(gòu)輸入，可以仿真多個(gè)方面的器件性能，包括波導(dǎo)的特征模式分析、光傳播和吸收、光電轉(zhuǎn)換、電荷輸運(yùn)、電光材料響應(yīng)和熱行為。根據(jù)感興趣的行為，可以使用多個(gè) Ansys Lumerical 求解器來(lái)預(yù)測(cè)和分析性能。例如，可以從電荷輸運(yùn)仿真 (CHARGE) 和特征模式分析 (MODE) 來(lái)表征電光調(diào)制器的調(diào)制響應(yīng)，并使用 HEAT 求解器分析熱效應(yīng)。類(lèi)似地，可以使用電磁傳播 (FDTD) 結(jié)合 CHARGE 來(lái)仿真探測(cè)器的響應(yīng)度和帶寬。

工藝仿真：Victory Process

這兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型是使用兩種 3D 工藝仿真器之一創(chuàng)建的，一種是基于網(wǎng)格的方法，更適合大型結(jié)構(gòu)，另一種是基于水平集的方法，更適合細(xì)節(jié)導(dǎo)向的移動(dòng)邊界模擬，例如模擬真實(shí)的蝕刻/沉積機(jī)、物理氧化或基于應(yīng)力的變形。如果仿真結(jié)構(gòu)不是很明顯地適合這兩種類(lèi)型之一，則可以使用任一仿真器。

這兩個(gè)工藝仿真器旨在復(fù)刻典型制造設(shè)施中的工藝運(yùn)行單。因此，其中一個(gè)輸入是掩模組，可以將其作為標(biāo)準(zhǔn) GDS2 格式讀取，也可以由用戶(hù)使用工藝流程輸入文件中的 XY 坐標(biāo)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，然后隨著工藝仿真的進(jìn)行，將其轉(zhuǎn)換為可查看的 GDS2 掩模組。

然后以與典型制造工廠(chǎng)中相同的方式構(gòu)造結(jié)構(gòu)，只需按照工藝運(yùn)行單使用蝕刻/沉積/注入/擴(kuò)散步驟以及工藝運(yùn)行單中每個(gè)環(huán)節(jié)相關(guān)的掩模層進(jìn)行即可。

每個(gè)工藝步驟可以使用多個(gè)模型之一，具體取決于所需的仿真細(xì)節(jié)和/或精度。與所有仿真器一樣，所需的細(xì)節(jié)水平和仿真該特定步驟花費(fèi)的時(shí)間與計(jì)算資源是相關(guān)量。例如，注入可以通過(guò)濃度與深度的查找表進(jìn)行（對(duì)于平坦表面來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)不錯(cuò)的選擇），或者，可以單獨(dú)且高精度地仿真每個(gè)注入離子與基板中的原子碰撞，這種技術(shù)稱(chēng)為蒙特卡羅模擬（適用于復(fù)雜的表面形貌）。在每個(gè)步驟中，這些可選的技術(shù)選項(xiàng)可以根據(jù)該特定工藝步驟的重要性進(jìn)行“混合和匹配”，為用戶(hù)提供極大的靈活性，以便為整個(gè)仿真確定優(yōu)先級(jí)并優(yōu)化精度與仿真時(shí)間。

本文以?xún)煞N結(jié)構(gòu)類(lèi)型為例，分別為集成鍺光電探測(cè)器的硅光波導(dǎo)[3]和使用二極管和集成傳輸線(xiàn)的相移光強(qiáng)度調(diào)制器，以提供可變電場(chǎng)作為器件電輸入[4]。

研究了兩種結(jié)構(gòu)變化。對(duì)于集成鍺探測(cè)器的硅波導(dǎo)，比較使用大接觸面積頂部接觸和在結(jié)構(gòu)邊緣使用通孔進(jìn)行頂部接觸，研究頂部接觸設(shè)計(jì)對(duì)光學(xué)性能的影響。圖 2顯示了一種變體的示例。在這種情況下，使用了基于水平集的工藝仿真器。

圖 2. 在 SOI 襯底上制造的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和集成鍺光電探測(cè)器，以絕對(duì)凈摻雜為顏色輪廓顯示了一般結(jié)構(gòu)。

對(duì)于光調(diào)制器結(jié)構(gòu)，使用兩種不同的 n 型和 p 型注入劑量研究了摻雜濃度對(duì)形成調(diào)制二極管結(jié)構(gòu)的影響。一種結(jié)構(gòu)對(duì)有源區(qū)磷和硼注入分別使用 1.5e13/cm2 和 1e13/cm3 的注入劑量，而第二個(gè)實(shí)驗(yàn)使用 3.2e12/cm2 和 2e12/cm2 的注入劑量進(jìn)行相同的注入。圖 3 顯示了光波導(dǎo)/二極管區(qū)域內(nèi)摻雜分布的影響，其中彩色輪廓顯示了兩種不同注入劑量情況下的絕對(duì)凈摻雜濃度。

圖 3. 兩種不同注入劑量的凈摻雜濃度，用于研究摻雜濃度對(duì)光調(diào)制器性能的影響。

第二個(gè)示例具有非常大的特征（例如傳輸線(xiàn)）以及集成電場(chǎng)中非常小的特征——光相位調(diào)制波導(dǎo)，使用基于網(wǎng)格的工藝仿真器來(lái)減少仿真所需的計(jì)算資源。圖 4 和圖 5 顯示了正確仿真結(jié)構(gòu)所需的巨大特征尺寸范圍。圖 4 顯示了完整的結(jié)構(gòu)，主要由兩個(gè)金屬化傳輸線(xiàn)構(gòu)成。在傳輸線(xiàn)之間（圖 4 中可見(jiàn)）是集成波導(dǎo)和集成二極管結(jié)構(gòu)，必須正確解析才能進(jìn)行光學(xué)和電氣特性分析。圖 5 顯示了此有源二極管調(diào)制器的放大圖，以及用于減少傳輸線(xiàn)損耗的條紋二極管摻雜特征。

圖 4. 基于傳輸線(xiàn)的光相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)，使用集成光波導(dǎo)和二極管結(jié)構(gòu)提供電場(chǎng)作為相位調(diào)制機(jī)制。

圖 5. 圖 4 所示結(jié)構(gòu)的放大細(xì)節(jié)，顯示了集成二極管結(jié)構(gòu)中的條紋摻雜圖案，以減少傳輸線(xiàn)損耗，并以絕對(duì)凈摻雜作為顏色輪廓。

在以下章節(jié)中，這些經(jīng)過(guò)工藝仿真的結(jié)構(gòu)將被導(dǎo)入 Ansys Lumerical 軟件進(jìn)行光學(xué)和電氣仿真。

根據(jù)工藝仿真結(jié)果進(jìn)行光子模擬

光子和光電子器件仿真需要特定輸入來(lái)定義模型的結(jié)構(gòu)、材料和邊界條件。Ansys Lumerical 軟件提供完整的 3D 設(shè)計(jì)環(huán)境和全面的材料庫(kù)，專(zhuān)為光子器件設(shè)計(jì)和仿真而構(gòu)建，可直接創(chuàng)建參數(shù)化器件模型。利用內(nèi)置的互操作技術(shù)，自動(dòng)導(dǎo)入Silvaco Victory Process 的工藝仿真結(jié)果可無(wú)縫處理三個(gè)關(guān)鍵步驟：結(jié)構(gòu)提取、材料分配和摻雜分布定義。

結(jié)構(gòu)提取從有限元仿真網(wǎng)格中創(chuàng)建 3D 實(shí)體對(duì)象，這些實(shí)體對(duì)象可能包含多個(gè)子域。這些實(shí)體對(duì)象被放置在 3D CAD 環(huán)境中。重建CAD幾何并確保其適合進(jìn)一步處理（例如布爾運(yùn)算）是具有挑戰(zhàn)性的：鑲嵌體可能有 10-100k 個(gè)面或更多，超出了大多數(shù)幾何核的容量。Ansys Lumerical 的互操作工具會(huì)自動(dòng)識(shí)別子域表面并簡(jiǎn)化提取的結(jié)構(gòu)，以便它可以在 3D CAD 環(huán)境中使用，同時(shí)保留網(wǎng)格所代表的底層結(jié)構(gòu)形狀。使用這種方法，可以將 Silvaco Victory Process 仿真輸出的每個(gè)部分導(dǎo)入 Ansys Lumerical 設(shè)計(jì)環(huán)境，同時(shí)保持進(jìn)一步調(diào)整和修改模擬結(jié)構(gòu)的靈活性，如圖 6 所示。

圖 6. 從工藝仿真中提取的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建實(shí)體對(duì)象并分指定了相關(guān)的材料，適合在 3D CAD 環(huán)境中進(jìn)一步處理。

除了結(jié)構(gòu)提取之外，為每個(gè)域正確分配材料對(duì)于在仿真之間保持模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。從工藝仿真輸出中提取結(jié)構(gòu)時(shí)，自動(dòng)導(dǎo)入功能還將確保材料在仿真之間映射。因此，正確的材料定義將與導(dǎo)入到Ansys Lumerical 設(shè)計(jì)環(huán)境中的幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，并且這些材料定義將包含物理光電仿真所需的參數(shù)。

最后，工藝仿真包含摻雜劑種類(lèi)和雜質(zhì)密度空間分布的信息。這些是仿真器件光電響應(yīng)的重要輸入，保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)于獲得準(zhǔn)確的結(jié)果至關(guān)重要。使用 Ansys Lumerical CHARGE 求解器中的互操作功能，可以自動(dòng)從 Silvaco Victory Process 結(jié)果中提取和導(dǎo)入摻雜分布，并將其包含在電荷輸運(yùn)仿真中。摻雜分布與幾何形狀一致，可應(yīng)用于特定的仿真域。Ansys Lumerical CHARGE 求解器將自動(dòng)調(diào)整其仿真網(wǎng)格以符合空間變化的摻雜密度，確保在電荷輸運(yùn)仿真中準(zhǔn)確表示摻雜分布。

從Silvaco Victory Process 仿真中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)、材料域和摻雜分布至Ansys Lumerical 設(shè)計(jì)環(huán)境后，器件的物理結(jié)構(gòu)便可用于仿真。用戶(hù)可以進(jìn)一步添加或修改幾何形狀、指定邊界條件并根據(jù)需要配置仿真?？梢远x電接觸以在電荷輸運(yùn)仿真中設(shè)置直流或瞬態(tài)激勵(lì)，并可以指定光源，將光注入器件。然后，可以為電荷輸運(yùn)設(shè)置直流、交流或瞬態(tài)分析，以及為光子學(xué)設(shè)置寬帶光傳播或本征模式分析，從而為這些器件提供全面的多物理場(chǎng)分析。

光電結(jié)果提取

垂直光電探測(cè)器

光電探測(cè)器是光子集成電路 (PIC) 中的關(guān)鍵元件，可實(shí)現(xiàn)單片電光系統(tǒng)。光電探測(cè)器使用在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)下具有強(qiáng)吸收的材料將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在硅光子學(xué)中，鍺是一種常見(jiàn)的材料選擇，因?yàn)樗c大多數(shù)硅工藝兼容，并且可以在硅頂部低缺陷生長(zhǎng)。在垂直布局中，鍺吸收層生長(zhǎng)在硅波導(dǎo)頂部，并在鍺頂部形成電接觸。為了最大限度地減少此觸點(diǎn)的電損耗，在鍺和觸點(diǎn)之間的界面處引入了一層薄薄的高濃度摻雜劑，而其余的鍺則沒(méi)有特意進(jìn)行摻雜。下面的硅被摻雜以增加導(dǎo)電性，從而形成垂直 PIN 結(jié)。當(dāng)光信號(hào)沿波導(dǎo)傳播并進(jìn)入吸收層時(shí)，被吸收的光子在鍺中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)被內(nèi)部電場(chǎng)分離并流過(guò)電觸點(diǎn)以形成輸出電流。

本研究中仿真的垂直光電探測(cè)器 (VPD) 使用[3]中的幾何形狀和材料特性來(lái)創(chuàng)建參考器件。按照 [3] 中概述的建議，我們?cè)u(píng)估了不同接觸形狀對(duì) VPD 性能的影響：接觸金屬化在鍺界面處是一個(gè)強(qiáng)光子吸收體，它減少了可能對(duì)電流有貢獻(xiàn)的光生電子空穴對(duì)數(shù)量。接觸界面的放置會(huì)影響暗電流、響應(yīng)度和帶寬，可以使用來(lái)自工藝仿真的輸入進(jìn)行有效分析。圖 7 展示了“大”和“小”兩種接觸情況下，Silvaco Victory Process 仿真的幾何形狀，使用上一節(jié)中描述的工作流將其導(dǎo)入 Ansys Lumerical CHARGE。

圖 7. 從 Silvaco Victory Process 仿真器導(dǎo)入 Ansys Lumerical CHARGE 求解器的 3D 結(jié)構(gòu)透視圖，分別帶有 (a) 大電觸點(diǎn)和 (c) 小電觸點(diǎn)；(b) Ansys Lumerical CHARGE 求解器中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的 2D 橫截面視圖，分別帶有 (b) 大電觸點(diǎn)和 (d) 小電觸點(diǎn)。

圖 8 比較了兩種 VPD 布局（“大”和“小”接觸）下仿真的電場(chǎng)強(qiáng)度。在小接觸情況下，入射到鍺上的光被吸收得更多，從而提高了響應(yīng)度?？梢月?lián)系工作人員了解有關(guān)仿真方法的更多詳細(xì)信息。

圖 8. Ansys Lumerical FDTD 中仿真的具有（a）大電接觸和（b）小電接觸的器件中的 2D 橫向電場(chǎng)分布

表 1 總結(jié)了仿真器件的基本性能指標(biāo)，并比較了大電接觸和小電接觸的影響。總之，使用較小電接觸的仿真器件在保持低暗電流和高帶寬操作的同時(shí)，響應(yīng)度提高了 38.3%。將工藝仿真與光子器件仿真相結(jié)合，可以進(jìn)一步優(yōu)化 VPD 的材料、結(jié)構(gòu)和摻雜分布，從而在制造器件之前提高響應(yīng)度，確定有前景的設(shè)計(jì)，同時(shí)最大限度地降低研發(fā)成本。

表1.垂直光電探測(cè)器的關(guān)鍵性能指標(biāo)比較

馬赫曾德調(diào)制器

馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器 (MZM)是一種在PIC中常用的電光調(diào)制器，用于將電信號(hào)編碼到光載波上。這些器件采用干涉儀型的結(jié)構(gòu)（平衡或不平衡），并通過(guò)在任一臂上引入額外的相移進(jìn)行建設(shè)性或破壞性干涉來(lái)控制輸出光信號(hào)的幅度。對(duì)于我們的器件，選擇耗盡型 MZM，它驅(qū)動(dòng)干涉儀臂（波導(dǎo)）上的 PN 結(jié)進(jìn)入反向偏置，以耗盡其中的自由載流子。自由載流子密度的變化通過(guò)等離子體色散效應(yīng)改變了波導(dǎo)的有效折射率[2]。因此，仿真這樣的器件需要解決多個(gè)物理問(wèn)題。

圖 9. (a) 從 Silvaco Victory 導(dǎo)入 Ansys CHARGE 的 3D 幾何形狀透視圖，(b) MODE 中導(dǎo)入幾何體的z-normal視圖，其中橙色矩形表示仿真區(qū)域，紫色區(qū)域顯示從電氣模擬導(dǎo)入的電荷密度數(shù)據(jù)。

在本研究中，我們重建了[4]中的設(shè)計(jì)作為基準(zhǔn)，并將評(píng)估不同摻雜比例對(duì)調(diào)制器性能的影響。圖 9 顯示了從 Silvaco Victory Process 工藝仿真中導(dǎo)入的幾何形狀透視圖。如上一節(jié)所述，導(dǎo)入過(guò)程會(huì)生成 3D 幾何形狀、分配材料定義并導(dǎo)入摻雜分布。導(dǎo)入完成后，將電壓邊界條件應(yīng)用于兩側(cè)的金屬觸點(diǎn)，并將器件兩端的電壓從 0.5 V 掃描到 -4 V，以仿真反向偏置下 PN 結(jié)的電氣行為。圖 9 (b) 還顯示了導(dǎo)入 Ansys Lumerical MODE 波導(dǎo)設(shè)計(jì)環(huán)境中的相同幾何形狀的 XY 視圖。橙色矩形所示的仿真區(qū)域不包括金屬觸點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冞h(yuǎn)離波導(dǎo)芯，因此不會(huì)與光學(xué)模式相互作用。紫色區(qū)域顯示了從 CHARGE 仿真導(dǎo)入的載流子密度分布，用于仿真金屬接觸上的電壓變化對(duì)光學(xué)模型的擾動(dòng)。

圖 10. (a) 4 V 反向偏壓下 PN 結(jié)中的自由載流子密度（單位為 cm-3）；(b) CHARGE 仿真的小信號(hào)電容與參考文獻(xiàn) [4] 中的測(cè)量值高度一致；(c) 干涉儀一臂末端的額外相移與施加電壓的關(guān)系；(d) 每條臂上的光損耗與施加電壓的關(guān)系；(e) INTERCONNECT 模擬的透射光譜與參考文獻(xiàn) [4] 中報(bào)告的 (f) 測(cè)量光譜高度一致。

圖 10 顯示了具有標(biāo)稱(chēng)摻雜的耗盡型移相器仿真的主要結(jié)果，包括相應(yīng) MZM 的透射光譜?？梢月?lián)系工作人員了解有關(guān)仿真方法的更多詳細(xì)信息。

在設(shè)計(jì) MZM 時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)優(yōu)化關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括調(diào)制效率（給定施加電壓的相移量）、電光帶寬和光損耗。波導(dǎo)模式和 PN 結(jié)之間的重疊是器件性能的一個(gè)重要因素：自由載流子密度的變化越大，調(diào)制效率就越高，但載流子密度越高，損耗也就越大。工藝仿真是一種有價(jià)值的工具，可幫助設(shè)計(jì)人員評(píng)估這種權(quán)衡。圖 11 比較了兩種摻雜濃度（標(biāo)稱(chēng)值和低）之間的調(diào)制效率和損耗。通過(guò)降低注入密度（“低”），設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建適用于低損耗調(diào)制器的移相器（圖 11 (d) 與 (c)），但會(huì)降低單位長(zhǎng)度的相移量（圖 11 (b) 與 (a)）。

圖 11.標(biāo)稱(chēng)和低摻雜耗盡型移相器之間調(diào)制效率的比較。

參考文獻(xiàn)

1.Xu Wang, et al., Opt. Lett., 39, 5519 (2014) https://doi.org/10.1364/OL.39.005519

2.R. Soref, et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 23, issue 1, pp. 123-129, January 1987. http://dx.doi.org/10.1109/JQE.1987.1073206

3.Shirong Liao, et al., Optical Express, vol. 19, no. 11, pp. 10967-10972, 2011. https://doi.org/10.1364/OE.19.010967

4.T. Baehr-Jones et al., Optics Express, vol. 20, no. 11, pp. 12014-12020, 2012. https://doi.org/10.1364/OE.20.012014

5.Ansys, Inc., “Travelling Wave Mach-Zehnder Modulator”, ansys.com. https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774

6.Ansys, Inc., “Vertical Photodetector”, ansys.com. https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042957893