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