بخشی از مقاله
چکیده
مهمترین مزیت استفاده از ساختار چاه های کوانتومی در دیود های نورگسیل، افزایش باز ترکیب سطحی حاملهای بار الکتریکی و به دنبال آن ارتقاء توان نور خروجی می باشد. یکی از عوامل موثر در میزان توان نور خروجی این دیودهای نورگسیل چگالی آلایش است. در این مطالعه، یک دیود نورگسیل تک چاه کوانتومی بر پایه InGaN/GaN با استفاده از نرم افزار سیلواکو - اتلس - شبیه سازی و تاثیر چگالی آلایش به ازای ولتاژ ثابت آند بر روی عملکرد آن بررسی شده است. به ازای مقادیر مختلف چگالی آلایش، مشخصه های LED بدست آمده است. با افزایش چگالی آلایش، مقدار توان نور خروجی شروع به افزایش کرده و به حالت بهینه می رسد.
-1 مقدمه
در سال های اخیر استفاده از دیودهای نورگسیل - LED - آبی در نمایشگرها و برای سیستم های روشنایی روند افزایشی پیدا کرده است. درخشندگی و دوام LEDها باعث شد که گزینه ای مناسب برای ساخت نمایشگرها باشند2]و.[1 مساله مهم در LEDهای تک چاه کوانتومی بر پایه InGaN/GaN تلاش برای افزایش توان نور خروجی می باشد.
بازترکیب سطحی و بهره نوری بالا، با وجود چاه های کوانتومی امکان پذیر است. در LEDهای چاه کوانتومی هنگامی که حامل های بار به لایه های InGaN/GaN تزریق شکل :1 ساختار لایهها در LED شبیه سازی شده می شوند، در حالت های گسسته انرژی و در مرکز بازترکیب های غیر نوری به تله می افتند .
حامل های تزریق شده در چاه کوانتومی منجر به افزایش چگالی حامل ها شده و در نتیجه شدت بازترکیب ها افزایش می یابد. بازترکیب سطحی نقش کمی در چاه کوانتومی دارد زیرا حاملها در بین دیواره چاه کوانتومی گیر افتاده اند و مانع از رسیدن به سطح می شوند. عواملی مانند کسر مولی و چگالی آلایش بر روی توان نور خروجی تاثیر گذارند.
در این مقاله عملکرد اپتیکی و الکتریکی یک LED مورد بررسی قرار گرفته است. برای این کار یک LED تک چاه کوانتومی شبیه سازی شده و مشخصه های آن به ازای چگالی های مختلف آلایش، بدست آمده است.
-2 روش انجام شبیه سازی
برای انجام این شبیه سازی طرحی با ساختاری مطابق شکل - 1 - استفاده شده است. در این ساختار لایه InGaN محیط فعال می باشد و به صورت چاه کوانتومی رفتار می کند. چاه کوانتومی تشکیل شده از دو نیمرسانای متفاوت با گاف انرژی های Eg barrir و Eg well مطابق شکل - 2 - در فصل مشترک AlGaN و GaN قرار دارد.
رابطه بین گاف انرژی به صورت زیر می باشد.
در این رابطه Eg,QW انرژی تابش شده، و Eoh و Eoe به ترتیب انرژی حفره و الکترون کوانتیزه شده هستند.
شکل :2طرح انرژی چاه کوانتومی در فصل مشترک InGaN/GaN
مقدار ضخامت لایه ها، نوع آلایش و مقدار تحرک پذیری الکترون ها و حفره های در نظر گرفته شده در شبیه سازی مطابق جدول - 1 - می باشد.
جدول :1مشخصات مواد استفاده شده در این طرح
برای مشاهده نور گسیل شده از LED، بازترکیب نوری در شبیه سازی لحاظ شده است. از طرفی وجود ناخالصی در نیمرساناها باعث ایجاد ترازهای انرژی در محدوده نوار ممنوعه و در نتیجه ایجاد بازترکیب های غیر نوری می شود. به همین دلیل پدیده شاتکی-رید-هال طبق رابطه - 2 - در شبیه سازی در نظر گرفته شده است.
در رابطه بالا ETRAP اختلاف انرژی مرکز بازترکیب و انرژی فرمی ذاتی - ET-EI - ، TL دمای شبکه بر حسب کلوین و TAUN0 و TAUP0 مقادیر طول عمر الکترون و حفره می باشند. همچنین ni، nو p به ترتیب چگالی حاملهای ذاتی، چگالی الکترونها و حفره ها می باشند. در دیودهای نورگسیل با چگالی حاملهای بالا، پدیده اوژه به عنوان یک بازترکیب غیر تابشی بر عملکرد LED اثر نامطلوب دارد6]و.[2 لذا این پدیده نیز در این شبیه سازی مد نظر قرار گرفته و طبق رابطه زیر لحاظ شده است.
شکل :3 نمودار.I-V بر اساس چگالی های مختلف آلایش لایه AlGaN
نمودار لومینیسانس-جریان برای آلایش های مختلف بدست آمده و در شکل - 4 - نشان داده شده است. در ابتدا با افزایش جریان، مقدار لومینیسانس به شدت افزایش می یابد ولی در جریان های بالاتر با افزایش تزریق الکترون و حفره، از آند به کاتد نشت الکترون اتفاق می افتد که یکی از عوامل کاهش لومینیسانس در جریان های بالاتر می باشد در رابطه بالا AUGN و AUGP به ترتیب طول عمر الکترون و حفره می باشند
-3 بحث و تحلیل
به ازای مقادیر مختلف چگالی آلایش برای لایه AlGaN، مشخصه های این LED بدست آمده و مورد بررسی قرار گرفته است. نمودار I-V بدست آمده به ازای مقادیر مختلف چگالی آلایش در شکل - - 3 نشان داده شده است. طبق این شکل با افزایش چگالی آلایش، مقدار جریان نیز افزایش پیدا کرده است. همچنین، با افزایش چگالی آلایش، در مقدار ولتاژ آستانه هدایت تغییر محسوسی مشاهده نشده است؛ و افزایش چگالی آلایش خللی در رفتار نمودار I-V ایجاد نکرده است.
شکل :4 نمودار تغییرات لومینیسانس با تغییر چگالی آلایش لایه AlGaN
طبق شکل - 4 - با افزایش چگالی آلایش، مقدار لومینیسانس نیز شروع به افزایش می کند و به نقطه بیشینه می رسد. بیشترین مقدار لومینیسانس به ازای چگالی 2 1018 cm-3 بدست آمده است و این مقدار حالت بهینه برای این دیود نور گسیل می باشد. با گذر از نقطه بیشینه، هر چه مقدار چگالی آلایش افزایش می یابد پدیده اوژه اثر گذارتر شده و مقدار لومینیسانس کاهش پیدا می کند
