光子学与光电子
光电子市场及其共同问题
光电子器件吸收或发出光。图像传感器、CCD 和太阳能电池吸收光，激光器和 LED 则发出光。CMOS 图像传感器是四个市场中最大的一个，由智能手机摄像头推动，并延伸至高端和科学成像领域。太阳能电池满足可再生能源需求。硅光子激光器和波导则主要用于通过光纤传输数据。
它们的共同点也是难点所在：不能先完成光学设计，再开始电子设计。像素必须在电池供电、且通常采用 3D 封装的器件内以极高灵敏度捕捉光，而热效应、IR 压降和电迁移都会侵蚀同一裕量。激光器的成败取决于其光学模式。芯片制造商正在将这些问题引入仿真：ProMOS 于 2025 年选择 Victory TCAD 开发硅光子器件，Teledyne e2v 也扩大了 Victory TCAD 在 CMOS 图像传感器中的应用。
Silvaco 的作用
从单个器件的物理机制出发，最终获得经过验证的图像传感器版图。光子
组件同时进行各自的电磁仿真。
输入
您的光学器件
像素、太阳能电池、激光器或波导
器件类型及其背后的
光学方法
每种器件以不同方式耦合光与电荷，因此分别采用
适合的光学方法。
CMOS 图像传感器和 CCD
图像传感器由像素阵列及其感测和控制电路组成，针对极高灵敏度进行调优。流程从 TCAD 像素设计开始，经过大型寄生参数提取后设计的 SPICE 仿真，再到定制版图，随后检查 3D 封装器件的电迁移、IR 压降和热行为。多家晶圆代工厂提供 CIS 工艺 PDK。CCD 也使用同一 TCAD 套件。
太阳能电池
对硅、薄膜和 III-V 族电池进行建模，涵盖交指背接触异质结设计、CIGS 模块，以及包含隧穿结的 GaInP/GaAs 多结电池。钙钛矿-硅叠层电池也可通过 TCAD 建模，TCAD 到 SPICE 的流程可将单个电池扩展到组件级。
激光器、LED 和硅光子学
激光器和 LED 仿真涵盖边发射激光器、VCSEL 激光器、LED 和光纤链路波导，以及波导光电二极管、红外和雪崩光电探测器。模式求解器和回音壁模式分析显示谐振腔如何限制光。光线追迹、传输矩阵法、光束传播法和 FDTD 处理其余光学问题，并与电学模型耦合求解。
应用
耦合仿真发挥价值的四种应用
CMOS 图像传感器开发
在仿真中比较像素结构，然后设计读出电路、完成版图并进行验证。
太阳能电池器件设计
从硅电池到叠层电池，通过耦合求解光学和载流子行为来测试电池结构。
激光器与 VCSEL 仿真
在首个裸片制造之前查看边发射或垂直腔激光器的光学模式。
波导与硅光子组件
在制作掩模之前仿真波导和光子组件。
客户与技术阅读资料
客户 · 硅光子学
2022 年 2 月
ProMOS Technologies
选择 Victory TCAD 开发其硅光子器件。
“采用 Silvaco 的 Victory TCAD 工具，标志着 ProMOS 在开发下一代光子器件方面迈出了重要一步。”
Lynn Lin，ProMOS Technologies 副总裁
客户 · 图像传感器
2022 年 2 月
Teledyne e2v
进一步将 Victory TCAD 应用于 CMOS 图像传感器开发。
“Victory TCAD 解决方案使我们能够快速分析不同的像素结构。”
Ana González Márquez，Teledyne e2v 技术与产品开发总监
客户 · 红外探测器
2022 年 2 月
LYNRED
使用 Silvaco TCAD 调优红外探测器性能并缩短开发周期。
“Silvaco 的 TCAD 解决方案帮助我们精细调整设计和技术以满足客户需求，使我们能够引领红外探测器市场的发展。”
Jocelyn Berhoz 博士，LYNRED 技术专家
客户 · 光学传感器
2022 年 2 月
KODENSHI CORP.
使用 SmartSpice Pro 设计光学传感器 IC。
“我们决定使用 SmartSpice Pro，以便在短时间内推出高功能、高附加值的光学传感器。”
Hiroyuki Fukui，KODENSHI CORP. IC 设计部门高级经理
Silvaco TCAD 中的激光器和波导仿真
演示资料 · PDF
2022 年 2 月
光学仿真演示资料
Silvaco TCAD 如何仿真发光和吸光器件，包括激光器和波导。
网络研讨会 · 图像传感器
2022 年 2 月
更快构建更好的像素：面向下一代 CIS 的 TCAD 驱动数字孪生
使用 Victory TCAD、Victory DoE 和 Victory Analytics 构建像素数字孪生，协同优化工艺、器件和光学特性。
网络研讨会 · 光子 IC
2022 年 2 月
利用 FTCO™ 和数字孪生加速考虑制造影响的光子集成电路仿真
从 GDS 导入到数字孪生，按照实际制造状态仿真光子器件，涵盖线边缘粗糙度、侧壁角度和 CD 偏移。
网络研讨会 · 太阳能
2022 年 2 月
使用 TCAD 仿真基于硅和钙钛矿的叠层太阳能电池
使用 TCAD 对交指背接触电池、钙钛矿电池和硅-钙钛矿叠层电池进行建模。
网络研讨会 · 光学方法
2022 年 2 月
太阳能电池、波导和 LED 的光电子仿真
通过太阳能电池、波导和 LED 实例介绍 FDTD 的设置与输出。
更多功率器件资料
文章 · 2021
基于非晶硒的雪崩光子探测器的 TCAD 建模
网络研讨会 · 2017
有机光电子器件的 TCAD 仿真
网络研讨会 · 2015
使用 TCAD 和 SPICE 进行太阳能电池建模
文章 · 2015
太阳能电池顶部金属接触设计优化简介
文章 · 2013
2D IBC-SHJ 太阳能电池仿真与优化
文章 · 2011
基于 MCT 的双波段（MWIR/LWIR）光电探测器的设计考量与性能分析
文章 · 2010
使用 FDTD 方法研究高速光通信中的 SiGe 波导光电二极管
文章 · 2010
CIGS 太阳能电池模块的建模与优化
文章 · 2009
织构化薄膜太阳能电池仿真
文章 · 2009
第三代太阳能电池技术：局域表面等离激元
文章 · 2009
包含隧穿结的 GaInP/GaAs 双结太阳能电池建模
文章 · 2003
SmartSpice 发布 RPI VCSEL 模型
光子学仿真问题
什么是光电子仿真？
它在制造之前计算吸光或发光半导体器件的行为。将光线追迹、TMM、光束传播法或 FDTD 等光学方法与器件的电学物理机制耦合，即可在软件中调优图像传感器、太阳能电池、光电探测器、激光器和 LED，而无需使用测试晶圆。
如何设计和验证 CMOS 图像传感器？
它采用四类方法：神经网络（监督学习、前馈结构、非线性激活）、高斯过程回归、决策树和决策森林，以及经典多变量统计。灵敏度分析采用 Sobol 指数或决策森林。优化器涵盖 Levenberg-Marquardt 和 Hooke-Jeeves 等局部方法，以及遗传算法和差分进化等全局方法。
Silvaco 可以仿真哪些光学器件类型？
运行该工具及开展工厂级分析均不需要。Victory Analytics 可独立分析生产数据和实测数据，无需仿真步骤。加入 TCAD 仿真输出后，模型便可同时从物理机制和晶圆厂数据中学习。
模式求解器用于什么？
可以。故障检测与分类以及统计过程控制等工厂级应用可直接处理生产数据。在 FTCO 中，Victory Analytics 结合仿真和晶圆厂数据进行训练，使所得数字孪生同时反映物理机制和产线的实际生产情况。
光子学仿真与 Photonics 产品系列有何关系？
这是一种同时优化多个输出的方法。根据每个输出与其理想值的接近程度进行评分，再将这些评分组合为单一期望度指数。优化器因此只需提升一个数值，无需人工对各项权衡进行排序。
光学和电学仿真能否同时运行？
可以，通过 Python 接口可覆盖从数据加载、训练、评分到优化的完整流程。脚本在 FTCO 工作中尤其有效：训练模型、运行下一组实验，再次训练，直至模型可用作数字孪生。
相关 IP
光子学
用于光子组件仿真的产品系列
XSim Photonics
面向光子器件的电磁仿真
Victory Device
耦合求解光学和电学器件仿真
TCAD
从结构到 SPICE 模型的工艺与器件仿真
显示
从像素器件到完整面板设计