بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله موضوع بهینه سازي دیودهاي ساخته شده بر اساس عناصر گروه 3 مورد مطالعه قرار گرفته شده است. افزایش کارآیی دیودهاي مبتنی بر عناصر گروه 3 رابطه مستقیمی با فرایند ساخت آنها دارند . در این مقاله، ترکیب گالیوم نیترید - GaN - در نظر گرفته شده است. این ماده داراي ویژگی هاي منحصر بفردي به لحاظ شیمیایی و مکانیک کوانتمی است. با این حال طراحی دیودهاي نوري با استفاده از آن داراي پیچیدگی هایی است که می بایست قبل از ساخت مشخص شوند.
قطعات مبتنی بر گالیوم نیترید وابستگی زیادي به ابعاد و نوع توزیع ماده دارند. این ویژگی باعث شده است تا بحث بهینه سازي آن مطرح شود. در این مقاله، براي انجام بهینه سازي با استفاده از ابزار محاسبات عددي SILVACO حالت هاي مختلف چینش و ابعاد مختلف مواد و ولتاژهاي مختلف اعمال شده به آن بررسی شده است. ساختار بهینه سازي بر اساس فرایند ساخت MOCVD مدنظر قرار گرفته شده است. نتایج حاصل نشان میدهد که با اضافه کردن بعضی از ناخالصی ها و تغییر توزیع مواد می توان درصد نور استخراج شده در این دیودهها را افزایش داد.
-1 مقدمه
تکنولوژي نیمه هادي مدرن منجر به تغییرات مناسب قطعات میشود و نقش مهمی را در زندگی روزمره ایفا میکند. اساس ساخت پردازشگرها و تمام دستگاههایی که به نحوي اطلاعات وعملیاتی راپردازش میکنند، از کامپیوترشخصی گرفته تا دستگاههاي عکسبرداري پزشکی و ....، نیمه هاديها هستند. امروزه قطعات مبتنی برنیمه هاديهاي گروه 3 به ویژه نیمه هادي GaN به دلیل خواص ذاتی ماده، نوید قطعاتی باقدرت بالا، فرکانس بالا و توان مصرفی پایین را میدهند.
تحقیقات بسیاري در زمینه دیودهاي نور گسیل آبی با درخشش بالا و دیودهاي لیزري براي استفاده در نمایشگرهاي تمام رنگی، نشانگرهاي رنگی و در لامپ هایی با بازدهی، قابلیت اطمینان و سرعت بالا انجام شده است. به این منظور در سالهاي اخیر تحقیقات فراوانی بر روي مواد گروه II-VI جدول تناوبی مانند [2-1]ZnSe ،[4-3] SiC و گروه نیمه هادي هاي نیتریدي گره III-V مانند گالیوم–نیترید [5] - GaN - توسط محققان انجام گرفته است.
با این حال بدست آوردن دیودهاي نور گسیل آبی رنگ با درخشندگی بالاي 1 شمع - 1cd - و دیودهاي لیزري قابل اطمینان غیر ممکن استاخیراً. پیشرفت هایی بر روي دیودهاي نور گسیل و دیودهاي لیزري سبز رنگ با استفاده از مواد گروه II-VI صورت گرفته است.[6] با این حال طول عمر قطعات مبتنی بر گره II-VI کوتاه است و اقتصادي بودن این قطعات را زیر سوال می برد. استدلال رایج در این مورد این است که طول عمر کوتاه این قطعات مبتنی بر II-VI تحت تاثیر نقص کریستالی با چگالی 10 cm -2 است.
دیودهاي نوري از اتصال نیمه رساناي نوع n - نیمه رسانا با الکترون اضافی - و نیمه رساناي نوع p - نیمه رسانا با حفره یا بار مثبت اضافی - ساخته می شوند. علت مهم بودن کشف لامپ هاي دیودهاي نور گسیل آبی ریشه در تولید دیودهاي نور گسیل سفید رنگ دارد. براي تولید رنگ سفید نیاز به ترکیب شدن نورهاي قرمز، سبز و آبی با یکدیگر است. تاکنون دیودهاي نور گسیل قرمز و سبز ساخته شده بودند و تنها تکه جامانده از پازل منبع نور سفید، نور آبی بود که در حدود سه دهه دانشمندان را به چالش در آورده است و اکنون با ساخت دیودهاي نور گسیل آبی رنگ این پازل تکمیل شده است. علاوه بر این، با اضافه کردن آلومینیوم و ایندیوم به نیترید گالیوم امکان تولید نور بهینه و به صرفه میسر می شود و می توان دیودهاي نور گسیل سفید رنگ بسیار کارآمد و کم هزینه را تولید کرد.
با توجه به گسترش استفاده از دیودهاي نور گسیل و دیودهاي لیزري و نیاز به تولید نیمه هادي هاي با بازدهی بالا نیازاست تا تحقیقاتی براي طراحی و بهینه سازي چنین دیودهایی انجام شود. مزیت هاي بسیاري را براي GaN بر شمرده اند و کارهاي انجام شده براي آن نسبتا جدید است. با این وجود چالشهایی در استفاده از این ترکیب وجود دارد که محققان در حال بررسی آن هستند.[6 -1] چالشهاي قطعات GaN عبارتند از: هزینه هاي گزاف فرآیند ساخت و اتلاف دمایی. به همین دلایل در کارهایی که توسط محققان انجام می شود سعی بر این است که براي چالشها علاوه بر طراحی و اجرا، بهینهسازي انجام شود. هدف از این مقاله نیز طراحی و بهینه سازي دیودهاي گسیل مبتنی بر ترکیب GaN میباشد.
تحقیقات انجام شده در زمینه موضوع مقاله و مشابه آن عمدتا در بخشهاي شیمی این دیودها، فیزیک–الکترونیک و فرایند مربوط به ساخت آنها طبقه بندي می شوند. در مراجع [3-1] بر روي شبیهسازي و محاسبات عددي دیودهاي نورگسیل تمرکز دارند. در این مراجع نوع محاسبات عددي استفاده شده، نوع نرم افزار را مشخص می کند. به عنوان نمونه در مرجع [2] براي شبیهسازي صورت مسئله نرم افزار COMSOL را که بر اساس المان محدود است معرفی میکند.
مقالات دیگري که در زمینه موضوع این تحقیق انجام شدهاند عمل بهینه سازي را در فرایند ساخت با تغییر مشخصات دیودها انجام دادهاند. نمونهي این کارهاي در مراجع [9-7] انجام شده است. این مراجع براي حل مشکل دماي بالا در تولید این دیودها اضافه کردن زیر لایه سیلیکنی را پیشنهاد دادهاند. در مرجع [10] بیشتر تاکید بر بهینه سازي حین فرایند و شبیه سازي آن بدون اجراي آزمایش تجربی میباشد. همچنین در مرجع [11] موضوع دیودهاي نور گسیل مبتنی بر GaN را بررسی کرده و تغییر ساختار GaN را با یاقوت را با تاکید بر کابردهاي نوري ارائه کرده است.
هدف از این مقاله بهینهسازي و شبیهسازي دیودهاي نورگسیل و دیودهاي لیزري با در نظر گرفتن میزان ناخالصی و تغییر توزیع موارد میباشد. بنابراین در ادامه در ابتدا به بررسی ساختار کریستالی GaN پرداخته میشود. سپس فرآیند ساخت MOCVD مورد بررسی قرار گرفته میشود. در ادامه بهینهسازي و شبیهسازي دیودها مورد مطالعه قرار گرفته میشود. در انتها نیز نتیجهگیري انجام شده است.
-2 ساختار کریستالی GaN
از نیمه هاديهاي گروه3، نیتریدها به علت داشتن انرژي باندگپ بزرگ، ولتاژشکست بالا، سرعت الکترونی بالا و چگالی بالاي الکترونی ورق کانال درساختارهاي نامتجانس درقطعاتی که در دماي بالا و قدرت بالا عمل میکنند استفاده میشود .[6] گرچه موادي مانند SiC نیزخواص مشابهي دارند اما مواد نیتریدي درساختارهاي نامتجانس و اتصالات اهمی بهتر شکل میگیرند. امروزه مادهي GaN به علت داشتن انرژي باندگپ بزرگ، ولتاژ شکست بالا و سرعت الکترونی بالا کاربرد زیادي دارد
کریستالهاي GaN توسط رونشانی پرتو رشد داده میشوند، این فرایند جا به جایی چگالیها را کاهش میدهد. در شکل 1 ساختارکریستالی GaN به صورت شش ضلعی نشان داده شده-است.
شکل :1 شکل کریستال نیمه هادي هاي مبتنی بر GaN
بطور خلاصه دو روش اصلی براي لایه نشانی براساس اپیتکسی وجود دارند که عباتند از: molecular beam epitaxy - MBE - و Metal Organic Chemical Vapor Deposition . - MOCVD - تفاوت اصلی این روشها در رشد کریستالهاي آنها میباشد. بر خلاف روش MBE که در آن رشد کریستالها بوسیلهي لایهنشانی فیزیکی است، در روش MOCVD رشد کریستالها بوسیلهي واکنش شیمیایی انجام میپذیرد. امروزه دستگاه MBE برخلاف MOCVD براي تحقیقات آزمایشگاهی تنها استفاده میشود و در تولید انبوه کاربردي ندارد. بر همین اساس، در این مقاله از روش MOCVD استفاده شده است. بنابراین در ادامه بطور خلاصه توضیح داده میشود.
-3 اصول کلی فرایند MOCVD
در فرآیند MOCVD گازهایی با خلوص بالا به راکتور تزریق میشود و سرانجام یک لایهي نازك از اتمها روي ویفر نیمه هادي نشانده میشود. در این فرآیند، واکنش سطحی ترکیبات آلی یا metalorganic ها و هیدریدهاي حاوي عناصر شیمیایی مورد نیاز، شرایطی براي رشد کریستالی و لایهنشانی موادها و ترکیبات نیمه هادي ایجاد میکنند.
بر خلاف نیمههادیهاي سیلیکونی سنتی، این نیمههاديها ممکن است ترکیبی از عناصر گروه سه و پنج، گروه دو و شش، گروه چهار، یا گروه چهار، پنج و شش را داشته باشد.
براي مثال، ایندیم فسفاید را در مرحله اول رشد میتوان در یک راکتور روي یک بستر گرم با تولید trimethylindium - - CH3 - 3In - و phosphine - PH3 - ایجاد کرد.
مولکولهاي آلی پیش آماده داغ شده در غیاب اکسیژن در اثر حرارت تجزیه میشوند. در مرحلهي دوم اتمهاي تجزیه شده بر اثر حرارات بسمت سطح بدنه حرکت میکنند.
در مرحلهي نهایی اتمها به سطح بدنه متصل شده و یک لایهي جدید کریستالی رشد داده میشود. تشکیل لایهي رونشانی شده روي سطح بدنه اتفاق میافتد . افزایش دماي موردنیاز براي تجزیهي حرارتی با افزایش طول باند مادهي شیمیایی پیش آماده تأمین میشود.
بیشتر اتمهاي کربن جذب اتم فلز مرکزي که پیوند ضعیفتري دارد میشوند. نفوذ اتمها روي سطح بدنه تحت تاثیر گامهاي اتمی است. فشار بخار منبع فلز آلی یک موضوع مهم در MOCVD است. چون مشخص کنندهي غلظت مواد منبع در واکنش و نرخ رسوب است.
-4 بهینه سازي و شبیهسازي ساختار دیودي مبتنی بر GaN
هدف از این مقاله بررسی اثر ناخالصی بر روي طیف چگالی توان دیودهاي نورگسیل میباشد. ساختار دیود تحقق داده شده در این مقاله بصورت شکل 2 و شکل 3 میباشد. در شکل 2 حجم ناخالصی در ساختار پیشنهادي نشان داده شده است. نرم افزار مورد استفاده در این تحقیق براي انجام شبیهسازي SILVACO است. لازم بذکر است که در ساختار مذکور، نوع مواد و میزان ناخالصی از اهمیت بالایی برخوردار است. مواد تشکیل شده در دیود مذکور شامل زیرلایه هاي یاقوت، قلع، نیکل، آلومینیوم– گالیوم نیترید، ایندیم–گالیوم نیترید و گالیوم نیترید است. همچنین در این تحقیق سه مشخصه ناخالصی در نظر گرفته شده است.
شکل :2 نماي توزیعی یکنواخت مواد مختلف در دیود GaN
شکل :3 نماي چینش مواد مختلف در دیود GaN
-1-4 بررسی اثرات ناخالصی بر عملکرد دیود
واضح است که دو عامل بایاس و ناخالصی بشدت بازدهی دیود را تحت تاثیر قرار میدهند. در مورد ناخالصی، فرایند از یک سیر منحنی گوسی تبعیت می کند و انجام عمل ناخالصی دهی همواره تاثیر مثبت ندارد و ممکن است این عمل بعد از یک مقدار ناخالصی تاثیر منفی داشته باشد. به این منظور عمل بهینه سازي براي بدست آوردن بهترین مقدار کاملا ضروري است. نتایج حاصل با در نظر گرفتن تغییر ناخالصی در شکل 3 و شکل 4 نشان داده شده است.
