ФОТОДЕТЕКТОР С УПРАВЛЯЕМОЙ ПЕРЕДИСЛОКАЦИЕЙ: ДИФФУЗИОННО-ДРЕЙФОВАЯ МОДЕЛЬ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ОПТИЧЕСКИХ МЕЖСОЕДИНЕНИЯХ

  • И. В. Писаренко Южный федеральный университет
  • Е.А. Рындин Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Ключевые слова: Оптические межсоединения в интегральных схемах, лазеры-модуляторы, фотоде- тектор с управляемой передислокацией, диффузионно-дрейфовое приближение, численная модель, фотоприемная схема, драйвер

Аннотация

Ранее для реализации оптических межсоединений в интегральных схемах были предло-
жены инжекционные лазеры с двойными AIIIBV наногетероструктурами, выполняющие функ-
ции источников и модуляторов излучения. Чтобы преобразовать короткие оптические импуль-
сы, генерируемые лазерами-модуляторами, в электрические сигналы, необходимы технологиче-
ски совместимые фотодетекторы с субпикосекундным временем отклика. Поскольку тради-
ционные конструкции фоточувствительных полупроводниковых приборов не удовлетворяют
предъявляемым требованиям, разработан перспективный метод построения быстродейст-
вующих фотодетекторов на основе принципа управляемой передислокации максимумов плот-
ности носителей заряда в специально организованных квантовых областях. Данные оптоэлек-
тронные приборы содержат продольный фоточувствительный p-i-n переход и поперечную
управляющую гетероструктуру, в которую входят слои, выращенные методом молекулярно-
лучевой эпитаксии при низких температурах, и два управляющих перехода. До наступления
среза оптического импульса фотодетектор работает аналогично классическому p-i-n фото-
диоду. Поперечное электрическое поле включается только во время заднего фронта лазерного
импульса и передислоцирует максимумы плотности электронов и дырок из области поглоще-
ния в области с низкой подвижностью и коротким временем жизни, в результате чего время
отклика сокращается до субпикосекундной величины. В предыдущих исследованиях быстродей-
ствие рассматриваемого фотодетектора оценивалось с помощью квантово-механической
комбинированной модели, которая не учитывала некоторые важные аспекты протекающих в
нем физических процессов. В данной статье предложена двумерная нестационарная диффузи-
онно-дрейфовая модель, позволяющая провести детальный анализ транспорта носителей заря-
да в структуре фотодетектора с управляемой передислокацией с точки зрения полуклассиче-
ского подхода. Для реализации представленной модели разработаны методика конечно-
разностного численного моделирования на основе явного метода и прикладные программные
средства. Полученные результаты диффузионно-дрейфового моделирования выявили необхо-
димость использования дифференциального принципа подключения для компенсации токов
смещения в цепи питания прибора. С учетом данной особенности разработаны фотоприемная
схема, обеспечивающая как формирование результирующего электрического сигнала, так и
требуемый режим подачи управляющего напряжения на контакты фотодетектора, и драй-
вер для лазеров-модуляторов.

Литература

1. Clark R., Tapily K., Yu K.-H., Hakamata T., Consiglio S., O’Meara D., Wajda C., Smith J.,
Leusink G. New Process Technologies Required for Future Devices and Scaling, APL Materials,
2018, Vol. 6, pp. 058203.
2. Brain R. Interconnect Scaling: Challenges and Opportunities, Proceedings of 2016 IEEE International
Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA. IEEE, 2016, pp. 9.3.1-9.3.4.
3. Chen Z., Gu H., Yang Y., Bai L., Li H. A Power Efficient and Compact Optical Interconnect
for Network-on-Chip, IEEE Computer Architecture Letters, 2014, Vol. 13, No. 1, pp. 5-8.
4. Bashir J., Peter E., Sarangi S.R. A Survey of On-Chip Optical Interconnects, ACM Computing
Surveys, 2019, Vol. 51, No. 6, pp. 115.
5. Miller D.A.B. Optical interconnects to electronic chips, Applied Optics, 2010, Vol. 49, No. 25,
pp. F59-F70.
6. Ryndin E.A., Konoplev B.G. Active Region of a Functionally Integrated Laser-Modulator,
Quantum Electronics, 2019, Vol. 49, No. 6, pp. 563-569.
7. Konoplev B.G., Ryndin E.A., Denisenko M.A. Components of Integrated Microwave Circuits
Based on Complementary Coupled Quantum Regions, Russian Microelectronics, 2015, Vol.
44, No. 3, pp. 190-196.
8. Pisarenko I., Ryndin E. Drift-Diffusion Simulation of High-Speed Optoelectronic Devices,
Electronics, 2019, Vol. 8, No. 1, pp. 106.
9. Pisarenko I.V., Ryndin E.A. Numerical Simulation of High-Speed AIIIBV Photodetectors Within
Drift-Diffusion Approximation, Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1368,
No. 4, pp. 042052.
10. Webb K.J., Cohen E.B., Melloch R.E. Fabrication and Operation of a Velocity Modulation
Transistor, IEEE Transactions on Electron Devices, 2001, Vol. 48, No. 12, pp. 2701-2709.
11. Pisarenko I., Ryndin E. Photodetector with Controlled Relocation of Carrier Density Peaks:
Concept and Numerical Simulation, Photonics, 2020, Vol. 7, No. 1, pp. 21.
12. Pisarenko I.V., Ryndin E.A. High-speed photodetector with controlled relocation of carrier
density peaks, Journal of Physics: Conference Series, 2020, Vol. 1482, pp. 012037.
13. Abramov I.I. Problemy i printsipy fiziki i modelirovaniya pribornykh struktur mikro- i
nanoelektroniki. Ch. II. Modeli poluklassicheskogo podkhoda [Problems and Principles of
Physics and Simulation of Device Structures for Micro- and Nanoelectronics. Part II. Models
of Semiclassical Approach], Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and Microsystems
Technology], 2006, No. 9, pp. 26–36.
14. Abramov I.I. Osnovy modelirovaniya elementov mikro- i nanoelektroniki [Fundamentals of
Micro- and Nanoelectronic Elements’ Simulation]. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic
Publishing, 2016, 434 p.
15. Shalimova K.V. Fizika poluprovodnikov [Semiconductor Physics]. 4 ed. Saint Petersburg: Izdvo
«Lan'», 2010, 400 p.
16. Palankovski V., Quay R. Analysis and Simulation of Heterostructure Devices. Wien: Springer-
Verlag, 2004, 257 p.
17. Currie M. Low-Temperature Grown Gallium Arsenide (LT-GaAs) High-Speed Detectors,
Photodetectors: Materials, Devices and Applications. Ed. by B. Nabet. Cambridge: Woodhead
Publishing, 2016, Chapter 5, pp. 121-155.
18. Analyze Semiconductor Devices at the Fundamental Level with the Semiconductor Module //
COMSOL Website. Available at: https://www.comsol.ru/semiconductor-module (accessed 01
May 2020).
19. Genius: 3D Parallel Device Simulator // Cogenda Website. Available at:
http://www.cogenda.com/article/Genius (accessed 01 May 2020).
20. Vasileska D., Goodnick S.M., Klimeck G. Computational Electronics: Semiclassical and Quantum
Device Modeling and Simulation. Boca Raton: CRC Press, 2010, 782 p.
21. Bakhvalov N.S., Zhidkov N.P., Kobel'kov G.M. CHislennye metody [Numerical Methods]. 7
ed. Moscow: BINOM. Laboratoriya znaniy, 2017, 636 p.
22. Kulikova I.V., Lysenko I.E., Pristupchik N.K., Lysenko A.S. Chislennoe reshenie
nestatsionarnoy fundamental'noy sistemy uravneniy poluprovodnika v diffuzionno-dreyfovom
priblizhenii [Numerical Solution of Fundamental Equation System for Semiconductor in Drift-
Diffusion Approximation], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering
Sciences], 2014, No. 9 (158), pp. 106-111.
23. Abramov I.I. Modelirovanie fizicheskikh protsessov v elementakh kremnievykh integral'nykh
mikroskhem [Simulation of Physical Processes in Elements of Silicon Integrated Circuits].
Minsk: BGU, 1999, 189 p.
24. GNU Octave: Scientific Programming Language, GNU Octave Website. Available at:
https://www.gnu.org/software/octave/ (accessed 01 May 2020).
Опубликован
2020-07-20
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ V. НАНОТЕХНОЛОГИИ