Ansys Lumerical | 基于氮化物的微型LED

附件下载联系工作人员获取附件前言在本例中我们在Ansys Lumerical MultiphysicsTM中模拟了基于氮化物的蓝光发射微型LEDuLED在CHARGE和MQW多量子井求解器之间有一个半耦合工作流。我们利用了几个新功能包括1.在MQW求解器中支持高阶k.p方法6×6和8×82.支持wurzite晶体结构以及3.在氮化物中包含材料极化效应以模拟uLED并计算其带状图和自发发射率的脚本解决方案。综述由于其高自发射亮度、高集成密度和更快的响应时间uLED已成为下一代显示器的绝佳候选者。基于氮化物的蓝色uLED对于实现全彩uLED显示至关重要。然而非辐射重组机制和极化诱导的量子限制性斯塔克效应QCSE限制了它们的效率。数值模拟可以作为获得对这些机制的物理洞察力并确定最佳设备运行条件的强大工具。在这个工作流程中我们使用半耦合CHARGE和MQW求解器来模拟uLED并演示材料极化对其带图和自发发射光谱的影响。本例中模拟的uLED基于参考文献[1]。uLED的结构图如上所示。主动区是无参杂的单量子阱2纳米的In0.2Ga0.8N。两侧分别被N参杂的In0.02Ga0.98N与P参杂的Al0.3Ga0.7N包围。步骤1从CHARGE模拟中提取载流子密度和电场分布在第一步中我们使用CHARGE求解器模拟uLED该求解器自一致地求解漂移-扩散和泊松方程以返回载流子密度和电场分布。我们进行了两次模拟第一次模拟不包括极化效应而第二次模拟同时考虑了自发和应变诱导的极化。材料极化效应表现为表面电荷密度使用表面电荷密度边界条件应用于有源区域的界面。表面电荷浓度的值是通过脚本解决方案预先计算的。根据脚本中选定的电压场分布和载波密度保存在Lumerical数据文件.ldf中。操作部分已经在模型档案GaNSQWLED_Piprek03ch9_v4_1D_polarized_QW.ldev中根据文献设置好了材料、结构以及仿真对象。此模型我们用脚本plot_CHARGE_and_export.lsf来操控有无极化效应就是控制两个表面载子密度是否启用。设置 polarization true并运行脚本后选取 if(false) 括号内的段落右键选择Run Selection 将会从仿真结果中抓取voltage_index 32(最大偏压)下量子井分布区域的Band Monitor 的能带结构、Electric Monitor的电场分布、Charge Monitor的载子分布以及不同偏压下P侧电极的电流曲线等并把结果存在charge_export_with_polarization.ldf。设置 polarization false 之后跟上述一样的运行步骤结果会有些许不同结果存在charge_export_without_polarization.ldf.。这些图也可以从运行后的对应monitor或是Charge数据上右键可视化取得。氮化物具有Wurzite晶格由于偏离理想的对称四面体几何形状其表现出自发和应变引起的极化。总极化由量子井和屏障之间界面的表面电荷密度表示。这些电荷诱导强大的内置电场改变有源区域的载流子密度和带状图。在相同量的电流下量子井中的电场没有极化和有极化如下所示正如文献[1]中解释的那样在没有任何极化的情况下活动区域中的电场是正的这导致孔聚集在n参杂侧。然而极化在有源区域产生高负电场这将孔推向P参杂侧。从CHARGE模拟中提取的载波密度中也可以看出这一点。步骤2使用MQW求解器获得uLED的自发发射率在此步骤中通过导入上一步创建的数据文件在MQW求解器中模拟uLED的主动区域。MQW求解器通过K。P方法求解量子井中的薛定谔方程并返回传导波和价波段中的电子波函数和子波段。它还计算了费米能量水平和每个受限状态的占用概率。占用概率以及导带和价带波函数之间的重叠用于确定uLED中的自发发射率。操作部分开启 GaNSQWLED_Piprek03ch9_v4_1D_polarized_QW_MQW.ldev包含量子井的材料、结构与仿真设置在MQW对象中。用脚本save_mqw_inputs_from_charge_run_and_plot.lsf来运行脚本会导入前面的lsf结果并运行两次仿真分别对应有无级化的情况。我们在MQW求解器中使用6×6 K。P 方法求解量子阱中的薛定谔方程。在同一电流下有和没有极化效应的传导和价带边缘如下所示。由于极化内置电场倾斜了量子井的带状图这被称为量子受限制斯塔克效应QCSE。在这种情况下极化引起的倾斜发生在传导和价带的相反方向。由于倾斜的对称性净过渡能量和发射峰值波长保持不变。然而由于较浅的量子井表明没有极化的可用状态数量较少因此发射光谱更窄如下图所示。接下来我们比较了相同电压值3.1V的带状图和自发发射光谱。与之前相同电流的情况相比材料极化对带状图的影响更加显着如下图所示。当考虑极化效应时我们看到带状图中有很大的倾斜。这导致过渡能量减少导致自发发射光谱出现1纳米红移。当存在极化效应时我们还看到发射大小下降。这可以归因于主动区域载体密度的降低。相关文献1.J. Piprek, Semiconductor Optoelectronic Devices, Academic Press, 2003