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SPADセンサーの光子検出効率の解析
Ansys Lumerical
解析分野 : 電磁界解析、波動光学的解析、フォトニクス解析、電気特性解析 業界：量子
解析概要
本事例では、フォトニクス解析ソフト・Ansys Lumericalを用いてSPAD(Single Photon Avalanche Diode)センサーの性能指標である光子検出効率（PDE：Photon Detection Efficiency）を算出する方法についてご紹介します。光学解析と電気解析を組み合わせることで、波長・入射角・バイアス電圧に対するPDEを評価することができます。
※本事例は2D解析を前提としております。
解析目的および解析手法
背景と目的
SPADセンサーは、入射した1光子からアバランシェ増幅を起こして信号を得る極めて高感度な光検出器です。デバイスの性能を最大化するには、光の吸収（光学特性）とアバランシェの発生確率（電気特性）の両方を最適化する必要があります。本解析の目的は、これらのシミュレーションを統合したワークフローを提供することです。
解析対象
SiベースのSPADセンサー
解析手法
以下の3ステップで解析を行います：
- キャリア生成率の算出: FDTDソルバーを用いて、各波長・角度・偏光におけるキャリアの生成率（OGR:Optical Generation Rate）を算出します。
- アバランシェ確率の算出: CHARGEソルバーを用いて電界分布から電気力線を抽出し、アバランシェ発生確率（ATP：Avalanche Triggering Probability）をマップ化します。
- PDEの算出: ステップ1とステップ2の結果を統合し、空乏層内で発生したキャリアによる寄与と空乏層外で発生したキャリアの拡散による寄与も含めて最終的なPDEを算出します。
図1 解析ワークフロー
解析結果
上記フローにより、最終的に以下のようなPDEスペクトルを算出することができます。
図2 垂直入射時のPDEスペクトル
図3 40度入射時のPDEスペクトル
まとめ
本解析事例では、Ansys LumericalのFDTD（光学シミュレーション）とCHARGE（電気シミュレーション）を統合し、SPADセンサーの検出効率（PDE）を定量的に評価することができます。試作前に素子構造やドーピングプロファイルが検出効率に与える影響を詳細に把握でき、開発期間の短縮と設計の最適化に貢献します。