附件下載

聯(lián)系工作人員獲取附件

前言

在本例中，我們在Ansys Lumerical MultiphysicsTM中模擬了基于氮化物的藍(lán)光發(fā)射微型LED（uLED），在CHARGE和MQW（多量子井）求解器之間有一個半耦合工作流。我們利用了幾個新功能，包括1.在MQW求解器中支持高階k.p方法（6×6和8×8），2.支持wurzite晶體結(jié)構(gòu)，以及3.在氮化物中包含材料極化效應(yīng)以模擬uLED并計(jì)算其帶狀圖和自發(fā)發(fā)射率的腳本解決方案。

綜述

由于其高自發(fā)射亮度、高集成密度和更快的響應(yīng)時(shí)間，uLED已成為下一代顯示器的絕佳候選者?；诘锏乃{(lán)色uLED對于實(shí)現(xiàn)全彩uLED顯示至關(guān)重要。然而，非輻射重組機(jī)制和極化誘導(dǎo)的量子限制性斯塔克效應(yīng)（QCSE）限制了它們的效率。數(shù)值模擬可以作為獲得對這些機(jī)制的物理洞察力并確定最佳設(shè)備運(yùn)行條件的強(qiáng)大工具。在這個工作流程中，我們使用半耦合CHARGE和MQW求解器來模擬uLED，并演示材料極化對其帶圖和自發(fā)發(fā)射光譜的影響。

本例中模擬的uLED基于參考文獻(xiàn)[1]。uLED的結(jié)構(gòu)圖如上所示。主動區(qū)是無參雜的單量子阱，2納米的In0.2Ga0.8N。兩側(cè)分別被N參雜的In0.02Ga0.98N與P參雜的Al0.3Ga0.7N包圍。

步驟1：從CHARGE模擬中提取載流子密度和電場分布

在第一步中，我們使用CHARGE求解器模擬uLED，該求解器自一致地求解漂移-擴(kuò)散和泊松方程，以返回載流子密度和電場分布。我們進(jìn)行了兩次模擬，第一次模擬不包括極化效應(yīng)，而第二次模擬同時(shí)考慮了自發(fā)和應(yīng)變誘導(dǎo)的極化。材料極化效應(yīng)表現(xiàn)為表面電荷密度，使用表面電荷密度邊界條件應(yīng)用于有源區(qū)域的界面。表面電荷濃度的值是通過腳本解決方案預(yù)先計(jì)算的。根據(jù)腳本中選定的電壓，場分布和載波密度保存在Lumerical數(shù)據(jù)文件（.ldf）中。

操作部分，已經(jīng)在模型檔案GaNSQWLED_Piprek03ch9_v4_1D_polarized_QW.ldev中根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)置好了材料、結(jié)構(gòu)以及仿真對象。此模型我們用腳本plot_CHARGE_and_export.lsf來操控有無極化效應(yīng)，就是控制兩個表面載子密度是否啟用。

設(shè)置 " polarization "= true并運(yùn)行腳本后，選取" if(false) "括號內(nèi)的段落，右鍵選擇Run Selection ，將會從仿真結(jié)果中抓取voltage_index = 32(最大偏壓)下量子井分布區(qū)域的Band Monitor 的能帶結(jié)構(gòu)、Electric Monitor的電場分布、Charge Monitor的載子分布，以及不同偏壓下P側(cè)電極的電流曲線等，并把結(jié)果存在charge_export_with_polarization.ldf。設(shè)置" polarization "= false 之后跟上述一樣的運(yùn)行步驟，結(jié)果會有些許不同，結(jié)果存在charge_export_without_polarization.ldf.。這些圖也可以從運(yùn)行后的對應(yīng)monitor或是Charge數(shù)據(jù)上右鍵，可視化取得。

氮化物具有Wurzite晶格，由于偏離理想的對稱四面體幾何形狀，其表現(xiàn)出自發(fā)和應(yīng)變引起的極化?？倶O化由量子井和屏障之間界面的表面電荷密度表示。這些電荷誘導(dǎo)強(qiáng)大的內(nèi)置電場，改變有源區(qū)域的載流子密度和帶狀圖。在相同量的電流下，量子井中的電場沒有極化和有極化如下所示：

正如文獻(xiàn)[1]中解釋的那樣，在沒有任何極化的情況下，活動區(qū)域中的電場是正的，這導(dǎo)致孔聚集在n參雜側(cè)。然而，極化在有源區(qū)域產(chǎn)生高負(fù)電場，這將孔推向P參雜側(cè)。從CHARGE模擬中提取的載波密度中也可以看出這一點(diǎn)。

步驟2：使用MQW求解器獲得uLED的自發(fā)發(fā)射率

在此步驟中，通過導(dǎo)入上一步創(chuàng)建的數(shù)據(jù)文件，在MQW求解器中模擬uLED的主動區(qū)域。MQW求解器通過K。P方法求解量子井中的薛定諤方程并返回傳導(dǎo)波和價(jià)波段中的電子波函數(shù)和子波段。它還計(jì)算了費(fèi)米能量水平和每個受限狀態(tài)的占用概率。占用概率以及導(dǎo)帶和價(jià)帶波函數(shù)之間的重疊用于確定uLED中的自發(fā)發(fā)射率。

操作部分開啟 GaNSQWLED_Piprek03ch9_v4_1D_polarized_QW_MQW.ldev，包含量子井的材料、結(jié)構(gòu)與仿真設(shè)置在MQW對象中。用腳本save_mqw_inputs_from_charge_run_and_plot.lsf來運(yùn)行，腳本會導(dǎo)入前面的lsf結(jié)果，并運(yùn)行兩次仿真分別對應(yīng)有無級化的情況。我們在MQW求解器中使用6×6 K。P 方法求解量子阱中的薛定諤方程。在同一電流下，有和沒有極化效應(yīng)的傳導(dǎo)和價(jià)帶邊緣如下所示。

由于極化，內(nèi)置電場傾斜了量子井的帶狀圖，這被稱為量子受限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）。在這種情況下，極化引起的傾斜發(fā)生在傳導(dǎo)和價(jià)帶的相反方向。由于傾斜的對稱性，凈過渡能量和發(fā)射峰值波長保持不變。然而，由于較淺的量子井表明，沒有極化的可用狀態(tài)數(shù)量較少，因此發(fā)射光譜更窄，如下圖所示。

接下來，我們比較了相同電壓值（3.1V）的帶狀圖和自發(fā)發(fā)射光譜。與之前（相同電流）的情況相比，材料極化對帶狀圖的影響更加顯著，如下圖所示。

當(dāng)考慮極化效應(yīng)時(shí)，我們看到帶狀圖中有很大的傾斜。這導(dǎo)致過渡能量減少，導(dǎo)致自發(fā)發(fā)射光譜出現(xiàn)1納米紅移。

當(dāng)存在極化效應(yīng)時(shí)，我們還看到發(fā)射大小下降。這可以歸因于主動區(qū)域載體密度的降低。

相關(guān)文獻(xiàn)

1.J. Piprek, Semiconductor Optoelectronic Devices, Academic Press, 2003