光子集成電路 (PIC) 是眾多當前和下一代產品的關鍵支撐技術。PIC 將微電子領域常見的半導體材料和制造工藝與光的編碼、傳輸和檢測相結合，通過將帶寬與計算核心之間的距離拉近，改變了數(shù)據(jù)中心的通信方式，并加速了自動駕駛領域 LiDAR 和未來信息處理領域量子計算等新興應用的發(fā)展。
電子和光子之間的連接是通過能夠在光信道上編碼電信號，并將光轉換回電信號來恢復信息的器件實現(xiàn)的。在 PIC 中，電光調制器和光電探測器是實現(xiàn)這些轉換的基本光電元件。
隨著對帶寬、功效和靈敏度的需求不斷增長，需要尖端的仿真技術將器件模型與制造工藝及其完整的多物理場行為聯(lián)系起來。將 Silvaco Victory Process 與 Ansys Lumerical 軟件相結合，實現(xiàn)支持 TCAD 的光子器件仿真，為設計師和工程師提供了必要的工具，可以完整準確地預測、分析和優(yōu)化光電器件的行為。
光子集成電路 (PIC) 的光電元件設計始于對物理結構和摻雜分布的精確建模，這些結構和摻雜分布定義了器件的光學和電學行為。目標是創(chuàng)建一個能夠反映制造后的器件的物理模型。設計流程從制造工藝的輸入開始：材料和掩模圖案與蝕刻、注入、退火和生長條件相結合。雖然結構的幾何 CAD 模型可以作為早期設計探索的起點，但使用 Silvaco Victory Process 進行工藝仿真對于建立制造步驟和最終物理結構之間的聯(lián)系是必不可少的。圖 1 說明了使用 Victory Process 輸入進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（例如受蝕刻影響的側壁角度和共形沉積的層界面）對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，對于包括調制效率、暗電流和相關探測器靈敏度以及帶寬在內的品質因素實現(xiàn)最佳性能取舍至關重要。在這里，Silvaco Victory Process 再次成為將這些特定行為與制造輸入聯(lián)系起來的必要條件。
一旦仿真了物理結構（包括材料界面和摻雜分布），就可以輕松地將其從 Silvaco Victory Process 導出并導入 Ansys Lumerical 仿真工具。這種自動化數(shù)據(jù)交換過程可確保幾何形狀和材料在軟件之間準確映射，并保持工藝仿真中摻雜分布的最準確表示。
工藝仿真的結果構成了光電設計工作流下一階段的輸入：器件仿真。多物理場仿真對于器件性能的預測、分析和優(yōu)化至關重要?；谖锢斫Y構輸入，可以仿真多個方面的器件性能，包括波導的特征模式分析、光傳播和吸收、光電轉換、電荷輸運、電光材料響應和熱行為。根據(jù)感興趣的行為，可以使用多個 Ansys Lumerical 求解器來預測和分析性能。例如，可以從電荷輸運仿真 (CHARGE) 和特征模式分析 (MODE) 來表征電光調制器的調制響應，并使用 HEAT 求解器分析熱效應。類似地，可以使用電磁傳播 (FDTD) 結合 CHARGE 來仿真探測器的響應度和帶寬。
這兩種結構類型是使用兩種 3D 工藝仿真器之一創(chuàng)建的，一種是基于網格的方法，更適合大型結構，另一種是基于水平集的方法，更適合細節(jié)導向的移動邊界模擬，例如模擬真實的蝕刻/沉積機、物理氧化或基于應力的變形。如果仿真結構不是很明顯地適合這兩種類型之一，則可以使用任一仿真器。
這兩個工藝仿真器旨在復刻典型制造設施中的工藝運行單。因此，其中一個輸入是掩模組，可以將其作為標準 GDS2 格式讀取，也可以由用戶使用工藝流程輸入文件中的 XY 坐標動態(tài)創(chuàng)建，然后隨著工藝仿真的進行，將其轉換為可查看的 GDS2 掩模組。
然后以與典型制造工廠中相同的方式構造結構，只需按照工藝運行單使用蝕刻/沉積/注入/擴散步驟以及工藝運行單中每個環(huán)節(jié)相關的掩模層進行即可。
每個工藝步驟可以使用多個模型之一，具體取決于所需的仿真細節(jié)和/或精度。與所有仿真器一樣，所需的細節(jié)水平和仿真該特定步驟花費的時間與計算資源是相關量。例如，注入可以通過濃度與深度的查找表進行（對于平坦表面來說，這是一個不錯的選擇），或者，可以單獨且高精度地仿真每個注入離子與基板中的原子碰撞，這種技術稱為蒙特卡羅模擬（適用于復雜的表面形貌）。在每個步驟中，這些可選的技術選項可以根據(jù)該特定工藝步驟的重要性進行“混合和匹配”，為用戶提供極大的靈活性，以便為整個仿真確定優(yōu)先級并優(yōu)化精度與仿真時間。
本文以兩種結構類型為例，分別為集成鍺光電探測器的硅光波導[3]和使用二極管和集成傳輸線的相移光強度調制器，以提供可變電場作為器件電輸入[4]。
研究了兩種結構變化。對于集成鍺探測器的硅波導，比較使用大接觸面積頂部接觸和在結構邊緣使用通孔進行頂部接觸，研究頂部接觸設計對光學性能的影響。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結構和集成鍺光電探測器，以絕對凈摻雜為顏色輪廓顯示了一般結構。
對于光調制器結構，使用兩種不同的 n 型和 p 型注入劑量研究了摻雜濃度對形成調制二極管結構的影響。一種結構對有源區(qū)磷和硼注入分別使用 1.5e13/cm2 和 1e13/cm3 的注入劑量，而第二個實驗使用 3.2e12/cm2 和 2e12/cm2 的注入劑量進行相同的注入。圖 3 顯示了光波導/二極管區(qū)域內摻雜分布的影響，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光調制器性能的影響。
第二個示例具有非常大的特征（例如傳輸線）以及集成電場中非常小的特征——光相位調制波導，使用基于網格的工藝仿真器來減少仿真所需的計算資源。圖 4 和圖 5 顯示了正確仿真結構所需的巨大特征尺寸范圍。圖 4 顯示了完整的結構，主要由兩個金屬化傳輸線構成。在傳輸線之間（圖 4 中可見）是集成波導和集成二極管結構，必須正確解析才能進行光學和電氣特性分析。圖 5 顯示了此有源二極管調制器的放大圖，以及用于減少傳輸線損耗的條紋二極管摻雜特征。
圖 4. 基于傳輸線的光相位調制器結構，使用集成光波導和二極管結構提供電場作為相位調制機制。
圖 5. 圖 4 所示結構的放大細節(jié)，顯示了集成二極管結構中的條紋摻雜圖案，以減少傳輸線損耗，并以絕對凈摻雜作為顏色輪廓。
在以下章節(jié)中，這些經過工藝仿真的結構將被導入 Ansys Lumerical 軟件進行光學和電氣仿真。
光子和光電子器件仿真需要特定輸入來定義模型的結構、材料和邊界條件。Ansys Lumerical 軟件提供完整的 3D 設計環(huán)境和全面的材料庫，專為光子器件設計和仿真而構建，可直接創(chuàng)建參數(shù)化器件模型。利用內置的互操作技術，自動導入Silvaco Victory Process 的工藝仿真結果可無縫處理三個關鍵步驟：結構提取、材料分配和摻雜分布定義。
結構提取從有限元仿真網格中創(chuàng)建 3D 實體對象，這些實體對象可能包含多個子域。這些實體對象被放置在 3D CAD 環(huán)境中。重建CAD幾何并確保其適合進一步處理（例如布爾運算）是具有挑戰(zhàn)性的：鑲嵌體可能有 10-100k 個面或更多，超出了大多數(shù)幾何核的容量。Ansys Lumerical 的互操作工具會自動識別子域表面并簡化提取的結構，以便它可以在 3D CAD 環(huán)境中使用，同時保留網格所代表的底層結構形狀。使用這種方法，可以將 Silvaco Victory Process 仿真輸出的每個部分導入 Ansys Lumerical 設計環(huán)境，同時保持進一步調整和修改模擬結構的靈活性，如圖 6 所示。
圖 6. 從工藝仿真中提取的結構創(chuàng)建實體對象并分指定了相關的材料，適合在 3D CAD 環(huán)境中進一步處理。
除了結構提取之外，為每個域正確分配材料對于在仿真之間保持模型的準確性至關重要。從工藝仿真輸出中提取結構時，自動導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入到Ansys Lumerical 設計環(huán)境中的幾何結構相關聯(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和雜質密度空間分布的信息。這些是仿真器件光電響應的重要輸入，保持數(shù)據(jù)的準確性對于獲得準確的結果至關重要。使用 Ansys Lumerical CHARGE 求解器中的互操作功能，可以自動從 Silvaco Victory Process 結果中提取和導入摻雜分布，并將其包含在電荷輸運仿真中。摻雜分布與幾何形狀一致，可應用于特定的仿真域。Ansys Lumerical CHARGE 求解器將自動調整其仿真網格以符合空間變化的摻雜密度，確保在電荷輸運仿真中準確表示摻雜分布。
從Silvaco Victory Process 仿真中導入結構、材料域和摻雜分布至Ansys Lumerical 設計環(huán)境后，器件的物理結構便可用于仿真。用戶可以進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仿真中設置直流或瞬態(tài)激勵，并可以指定光源，將光注入器件。然后，可以為電荷輸運設置直流、交流或瞬態(tài)分析，以及為光子學設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分析。
垂直光電探測器
光電探測器是光子集成電路 (PIC) 中的關鍵元件，可實現(xiàn)單片電光系統(tǒng)。光電探測器使用在設計波長下具有強吸收的材料將光信號轉換為電信號。在硅光子學中，鍺是一種常見的材料選擇，因為它與大多數(shù)硅工藝兼容，并且可以在硅頂部低缺陷生長。在垂直布局中，鍺吸收層生長在硅波導頂部，并在鍺頂部形成電接觸。為了最大限度地減少此觸點的電損耗，在鍺和觸點之間的界面處引入了一層薄薄的高濃度摻雜劑，而其余的鍺則沒有特意進行摻雜。下面的硅被摻雜以增加導電性，從而形成垂直 PIN 結。當光信號沿波導傳播并進入吸收層時，被吸收的光子在鍺中產生電子-空穴對，這些電子-空穴對被內部電場分離并流過電觸點以形成輸出電流。
本研究中仿真的垂直光電探測器 (VPD) 使用[3]中的幾何形狀和材料特性來創(chuàng)建參考器件。按照 [3] 中概述的建議，我們評估了不同接觸形狀對 VPD 性能的影響：接觸金屬化在鍺界面處是一個強光子吸收體，它減少了可能對電流有貢獻的光生電子空穴對數(shù)量。接觸界面的放置會影響暗電流、響應度和帶寬，可以使用來自工藝仿真的輸入進行有效分析。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入 Ansys Lumerical CHARGE。
圖 7. 從 Silvaco Victory Process 仿真器導入 Ansys Lumerical CHARGE 求解器的 3D 結構透視圖，分別帶有 (a) 大電觸點和 (c) 小電觸點；(b) Ansys Lumerical CHARGE 求解器中導入結構的 2D 橫截面視圖，分別帶有 (b) 大電觸點和 (d) 小電觸點。
圖 8 比較了兩種 VPD 布局（“大”和“小”接觸）下仿真的電場強度。在小接觸情況下，入射到鍺上的光被吸收得更多，從而提高了響應度。有關仿真方法的更多詳細信息，請參閱參考文獻 6。
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 橫向電場分布
表 1 總結了仿真器件的基本性能指標，并比較了大電接觸和小電接觸的影響?？傊褂幂^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，響應度提高了 38.3%。將工藝仿真與光子器件仿真相結合，可以進一步優(yōu)化 VPD 的材料、結構和摻雜分布，從而在制造器件之前提高響應度，確定有前景的設計，同時最大限度地降低研發(fā)成本。
馬赫-曾德爾調制器 (MZM)是一種在PIC中常用的電光調制器，用于將電信號編碼到光載波上。這些器件采用干涉儀型的結構（平衡或不平衡），并通過在任一臂上引入額外的相移進行建設性或破壞性干涉來控制輸出光信號的幅度。對于我們的器件，選擇耗盡型 MZM，它驅動干涉儀臂（波導）上的 PN 結進入反向偏置，以耗盡其中的自由載流子。自由載流子密度的變化通過等離子體色散效應改變了波導的有效折射率[2]。因此，仿真這樣的器件需要解決多個物理問題。
圖 9. (a) 從 Silvaco Victory 導入 Ansys CHARGE 的 3D 幾何形狀透視圖，(b) MODE 中導入幾何體的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入的電荷密度數(shù)據(jù)。
在本研究中，我們重建了[4]中的設計作為基準，并將評估不同摻雜比例對調制器性能的影響。圖 9 顯示了從 Silvaco Victory Process 工藝仿真中導入的幾何形狀透視圖。如上一節(jié)所述，導入過程會生成 3D 幾何形狀、分配材料定義并導入摻雜分布。導入完成后，將電壓邊界條件應用于兩側的金屬觸點，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 結的電氣行為。圖 9 (b) 還顯示了導入 Ansys Lumerical MODE 波導設計環(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，因為它們遠離波導芯，因此不會與光學模式相互作用。紫色區(qū)域顯示了從 CHARGE 仿真導入的載流子密度分布，用于仿真金屬接觸上的電壓變化對光學模型的擾動。
圖 10. (a) 4 V 反向偏壓下 PN 結中的自由載流子密度（單位為 cm-3）；(b) CHARGE 仿真的小信號電容與參考文獻 [4] 中的測量值高度一致；(c) 干涉儀一臂末端的額外相移與施加電壓的關系；(d) 每條臂上的光損耗與施加電壓的關系；(e) INTERCONNECT 模擬的透射光譜與參考文獻 [4] 中報告的 (f) 測量光譜高度一致。
圖 10 顯示了具有標稱摻雜的耗盡型移相器仿真的主要結果，包括相應 MZM 的透射光譜。有關仿真方法的更多詳細信息，請參閱參考文獻 5。
在設計 MZM 時，設計人員會優(yōu)化關鍵性能指標，包括調制效率（給定施加電壓的相移量）、電光帶寬和光損耗。波導模式和 PN 結之間的重疊是器件性能的一個重要因素：自由載流子密度的變化越大，調制效率就越高，但載流子密度越高，損耗也就越大。工藝仿真是一種有價值的工具，可幫助設計人員評估這種權衡。圖 11 比較了兩種摻雜濃度（標稱值和低）之間的調制效率和損耗。通過降低注入密度（“低”），設計人員可以創(chuàng)建適用于低損耗調制器的移相器（圖 11 (d) 與 (c)），但會降低單位長度的相移量（圖 11 (b) 與 (a)）。
圖 11.標稱和低摻雜耗盡型移相器之間調制效率的比較。
參考
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