Ansys Lumerical | 基于氮化物的微型LED

宇熠科技

2025年7月22日 12:27

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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LED（uLED），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8×8），2.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。