بخشی از مقاله
چکیده
بارهای قطبش1 یکی از مهمترین جنبههایی است که در چاههای پتانسیل InGaN/GaN بدان توجه میشود. این بارها باعث جدایی توابع موج الکترون و حفره میگردد و همین موضوع باعث میشود تا انتگرال همپوشانی کاهش یابد. کاهش انتگرال همپوشانی سبب میگردد تا حد زیادی بهرهی دیودهای گسیل کنندهی نوری را نیز کاهش دهد زیرا انتگرال همپوشانی رابطهی مستقیمی با نرخ بازترکیب خودبهخودی نوری دارد.
به طور کلی در این مقاله یک ساختار مناسب ارائه شده است تا تجمع بارهای قطبش کم شود و برای نشان دادن این موضوع نمودار نرخ بازترکیب تشعشعی، توابع موج حامل ها، دیاگرام انرژی و همچنین میزان بار تجمع شده را در ساختار جدید و قدیم بررسی شده است.
-1 مقدمه
در چند سال اخیر، ادوات نیمه هادی مبتنی بر مواد III-nitride مانند لیزرها [1]، دیودهای گسیل کنندهی نور [2] و فتوولتائیکها [3] توجه زیادی به خود جلب کرده است و پیشرفت-های گستردهای داشتهاند. در این میان دیودهای گسیلکنندهی نوری مبتنی بر چاههای پتانسیل همراه با مواد InGaN/GaN به عنوان یک گزینه مناسب برای استفاده از آن در کاربردهایی در انرژی کارامد2 قرار گیرد و همچنین میتواند یک جایگزین مناسب برای لامپهای رشتهای باشد.
در دیودهای گسیل کنندهی نوری مبتنی بر چاههای پتانسیل همراه با مواد InGaN/GaN، از آلیاژ InGaN/GaN در جهت منطقه فعال، به صورت یک چاه پتانسیل، مورد استفاده قرار می-گیرد. نور گسیلشده از این منطقه توسط بازترکیب بین الکترونها و حفرههایی که به این مناطق تزریق شدهاند، ایجاد میشود. چالش پیش رو در این ادوات مسالهی افت بهره 3 میباشد که به معنای کاهش بهره کوانتومی خارجی4 در چگالی جریان بالا میباشد.
افت بهره میتواند ناشی از عوامل مختلفی از جمله، کاهش بهره تزریق جریان و نشت حاملها [6]، تزریق غیر یکسان حفرهها [7]، بارترکیب اوجر[8] 5، بارهای قطبش [9] و ... باشد.
در گزارشهای مختلفی از AlGaN به عنوان یک لایهی مسدود کردن الکترون در جهت کاهش نشت الکترونها استفاده شده است. در حقیقت با قرار دادن AlGaN بین سد آخر GaN و لایهی P-GaN میتوان یک سد پتانسیل برای الکترونها ایجاد کرد و از نشت آنها از منطقهی فعال به لایهی p-GaN جلوگیری کرد . البته همین لایهی مسدود کردن الکترونها میتواند به عنوان یک سد پتانسیل برای حفرهها عمل کند و سبب کاهش بهرهی تزریق حفره به منطقهی فعال میشود . در این راستا میتوان با استفاده از سدهای نازک AlGaInN در دو سمت ناحیه فعال به بهره بالاتری دست پیدا کرد .
یکی از مهمترین چالشهای پیش رو در دیودهای گسیل-کنندهی نوری مبتنی بر چاههای پتانسیل با استفاده از InGaN/GaN، مسالهی بارهای قطبش میباشد.
میدان ناشی از بارهای قطبش باعث تجمع بارهای الکتریکی در دو طرف چاه پتانسیل InGaN میشود و همین موضوع سبب خم شدن باندهای انرژی خواهد شد. این خمیدگی باند انرژی سبب جدایی توابع موج الکترون و حفره میگردد و کاهش انتگرال هم-پوشانی را به همراه دارد. از آن جایی که بازترکیب تشعشعی با انتگرال همپوشانی رابطهی مستقیمی دارد بنابراین بارهای قطبش سبب کاهش چشمگیر نرخ بازترکیب تشعشعی خواهد شد. در سالهای اخیر، ساختارهای متفاوتی، برای افزایش انتگرال هم-پوشانی ارائه شده است 13]،.[12 در بعضی مقالات ساختارهایی بررسی شده اند که در آن میزان ایندیوم1 در منطقه فعال یکسان نیست و میزان ایندیوم در چاه پتانسیل شکلهای مختلفی دارد
در این مقاله، ابتدا نحوهی تاثیر polarization field بر روی انتگرال همپوشانی و نرخ بازترکیب تشعشعی بررسی شده است و سپس به جای استفاده از In0.2Ga0.8N/GaN در دیودهای گسیل کنندهی نوری از In0.2Ga0.8N/In0.1Ga0.9N استفاده شده است. در ساختار جدید افزایش انتگرال همپوشانی و متوازن بودن تعداد حاملها اعم از الکترونها و حفرهها در تمامی چاههای پتانسیل دیده می شود. استفاده از ساختار جدید در این مقاله سبب افزایش چشمگیر نرخ بازترکیب تشعشعی در همهی چاههای پتانسیل شده است و این در حالی است که در دیود گسیل کننده نور مورد نظر قبلی، فقط از چاه پتانسیل اول تشعشع نور داشتیم. کلیهی شبیه سازیها و محاسبات توسط شبیه ساز silvaco انجام گرفته است.
-2 ساختار و پارامترها
ساختار ادواتی که مورد بررسی قرار گرفته است از یک لایهی n-type GaN با ضخامت 1 ʽm و میزان دوپینگ 2 ×1018 cm-3 و همچنین 4 جفت لایهی In0.2Ga0.8N - 3nm - /GaN - 7nm - تشکیل شده است. پس از این لایهها، 2 نانومتر p-type Al0.2 Ga0.8N به عنوان لایهی مسدود کردن الکترون با میزان دوپینگ - 3 ×1019cm-3 - و به دنبال آن 200 نانومتر p-type GaN با میزان دوپینگ - 3 ×1019cm-3 - استفاده شده است. در این نوع ساختار ناحیه فعال ما از 3 نانومتر In0.2Ga0.8N تشکیل شده است که با توجه به ضخامت و میزان In آن، طول موجی در حدود 400-500 نانومتر خواهد داشت. در این مقاله یک ساختار مختلف به غیر از ساختار ارائه شده آورده شده است که در آنها به جای استفاده از GaN به عنوان سد از InGaN با میزان ایندیوم 0.1 استفاده شده است.
-2-1 قطبش خودبهخودی و پیزوالکتریک
اثر پلاریزاسیون یا قطبش توسط متدی که در سال 2002 توسط Fiorentini توسعه داده شد، بیان میشود. اثر قطبش خود-بهخودی برایInxGa1-xN به صورت زیر میباشد
اثر قطبش پیزوالکتریک برای InxGa1-xN نیز به صورت زیر بیان میشود
aGaN ثابت شبکهی GaN و a ثابت شبکهی InGaN میباشد. کل بارهای قطبش داخلی باید جمع بین بارهای قطبش خودبه-خودی و پیزوالکتریک در نظر گرفته شوند. این اثرات به صورت چگالی بار - c/m2 - در بین صفحات شکل میگیرند.
-2-2 گاف انرژی
میزان انرژی گپ لایهی InGaN علاوه بر این که میتواند در ساختارهای کوانتومی، تابعی از ضخامت باشد، در اینجا تابعی از میزان In نیز میباشد. انرژی گپ برای الیاژ سهگانه InGaN به صورت زیر تعریف میشود .[17]
که در آن Eg - lnN - و Eg - GaN - همان انرژی گپ InN وGaN میباشد.
-2-3 بازترکیب تشعشعی در چاههای کوانتومی
نرخ بازترکیب تشعشعی در چاههای پتانسیل به طبق معادلهی زیر میباشد.
در معادلهی - 1-4 - ، جمع برروی انتقال بین تمام ترازهای انرژی موجود برای الکترونها - En - و تمام ترازهای انرژی موجود برای حفرهها - Em - انجام میگیرد.
در این معادله انتگرال همپوشانی توابع موج الکترون و حفره تاثیر مستقیمی بر روی نرخ بازترکیب تشعشعی خودبهخودی گذاشته است. بنابراین در این مقاله با ارائه ساختاری سعی بر افزایش این پارامتر شده است تا نور نرخ بازترکیب تشعشعی بیشتری ایجاد شود. از آن جایی که اکثریت این تشعشعات از چاه کوانتومی گسیل شدهاند و با توجه به آن که اندازه چاه در محدوده-ی چند نانومتر میباشد، بنابراین تغییر ضخامت چاه، تغییر جنس ناحیه فعال و حتی تغییر جنس سد میتواند اثرات قابل توجهی در نور خروجی بگذارد.
در ساختار جدید، x برابر 0.1 قرار داده شده است. اولین موردی که در ساختار جدید میتوان به آن اشاره کرد این است که عدم تطابق شبکهای 1 بین ناحیهی فعال و سد کم شده است این موضوع سبب آن میگردد که میزان کمتری از بارهای ناشی از قطبش در بین صفحات شکل بگیرند. بنابراین با وجود کاهش بارهای قطبش، باید توابع موج الکترون و حفره به هم نزدیک شوند. در شکل - 1 - توابع الکترون و حفره برای یک چاه پتانسیل در ساختار جدید و ساختار قبلی آورده شده است و در آن واضح است که در ساختار جدید، توابع موج به مراتب نسبت به حالت قبلی به هم نزدیک تر شدهاند. نزدیک شدن توابع موج الکترون و حفره سبب افزایش انتگرال هم پوشانی - Imn - میگردد و بنابراین سبب افزایش نرخ بازترکیب تشعشعی خواهد شد.
-3 نتایج شبیه سازی
در ساختار جدید به جای استفاده از شکل :1 نمایش توابع موج الکترون و حفرهی چاه پتانسیل اول در
ساختار قدیم - شکل الف - و در ساختار جدید - شکل ب -
