I Konferencja „Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik sensorowych”

InTechFun 9 kwietnia 2010 r., Warszawa POIG.01.03.01-00-159/08

Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

InTechFun Pakiet zadaniowy: PZ3. Modelowanie Lider: PŁ Partnerzy: PW, PŚl, IF PAN, ITE Czas trwania: M1 – M54

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

2

Modelowanie zjawisk fizycznych w przyrządach optoelektronicznych zbudowanych na bazie materiałów o szerokiej przerwie energetycznej

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

3

Zespół wykonujący Politechnika Łódzka Instytut Fizyki Zespół Fizyki Komputerowej w składzie: Włodzimierz Nakwaski, Robert Sarzała, Andrzej Brozi, Tomasz Czyszanowski, Michał Wasiak, Maciej Dems, Łukasz Piskorski, Maciej Kuc

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

4

Zadania 3.2 Modelowanie struktury kryształów fotonicznych z półprzewodników szeroko przerwowych 3.3 Modelowanie zjawisk i projektowanie konstrukcji źródeł promieniowania UV na bazie GaN i ZnO 3.4 Modelowanie zjawisk i projektowanie konstrukcji źródeł promieniowania UV na bazie GaN i ZnO wykorzystujących kryształy fotoniczne 3.5 Analiza własności cieplnych przyrządów półprzewodnikowych z półprzewodników szeroko przerwowych I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

5

Kamienie milowe zadania 3.2 w roku 2009 3.2 Modelowanie struktury kryształów fotonicznych z półprzewodników szeroko przerwowych M6 Dopasowanie modelu PWAM do analizy zachowania pola optycznego w kryształach fotonicznych M12 Analiza dokładności zmodyfikowanego modelu PWAM

Zadanie 3.2

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

6

Metoda Admitancyjna Fal Płaskich (Plane-Wave Admittance Method)  





 

W pełni wektorowa i trójwymiarowa analiza pola optycznego. Struktury planarne – bez żadnych przybliżeń (inne struktury muszą być przybliżone przez planarne). Rozwiązywanie równań Maxwella – częściowo analitycznie, częściowo poprzez rozwinięcie fal płaskich. Znacznie wydajniejsza niż metody czysto numeryczne (FEM, FDTD) i dokładniejsza niż metody przybliżone. Możliwe modelowanie różnorodnych struktur. Dostępne opracowane przez nas oprogramowanie pslab, które w sposób efektywny implementuje metodą PWAM.

Zadanie 3.2

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

7

Metoda PWAM dla kryształów fotonicznych  



Ścisłe rozwiązanie równań Maxwella. Możliwa jest analiza symetrycznych i asymetrycznych planarnych kryształów fotonicznych. W zmodyfikowanej metodzie możliwe jest:  wyznaczenie gęstości stanów (DOS) i lokalnej gęstości stanów (LDOS) dla struktury dwuwymiarowego kryształu fotonicznego, a co za tym idzie wzmocnienia prawdopodobieństwa emisji spontanicznej,  określenie zakresu częstotliwości, dla których zabroniona jest emisja spontaniczna,  policzenie dobroci (Q-factor) defektu w strukturze kryształu (istotne znaczenie w efekcie Purcella).

Zadanie 3.2

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

8

Analiza dokładności zmodyfikowanego PWAM

Zadanie 3.2

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

9

Kamienie milowe zadania 3.3 w roku 2009 3.3 Modelowanie zjawisk i projektowanie konstrukcji źródeł promieniowania UV na bazie GaN i ZnO M6 Zebranie parametrów materiałowych GaN i ZnO oraz ich zależności od temperatury i koncentracji nośników M12 Wyznaczenie rozkładu naprężeń mechanicznych w wielowarstwowych strukturach wykonanych z materiałów o własnościach piezoelektrycznych

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

10

Struktura krystaliczna ZnO

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

11

ZnO — podstawowe parametry materiałowe parametr

wartość

struktura krystaliczna

heksagonalna

stałe sieci (RT) [Å]

а = 3.250, с = 5.205

szerokość przerwy energetycznej (RT) [eV]

3.37

przewodność cieplna (RT) [W/mK]

54

ciepło właściwe (RT) [J/gK]

0.497

temperatura Debye’a [K]

399.5

ruchliwość elektronów (RT) [cm2/Vs]

30 (wysoka koncentracja nośni-ków) do 280 (niska koncentracja)

statyczna stała dielektryczna (RT)

E||a: 7.46 E||c: 8.59

stała dielektryczna dla wysokich częstotliwości (RT)

E||a: 3.70 E||c: 3.78

masa efektywna elektronu (RT) [m0]

0.318

energia wiązania ekscytonów (RT) [meV]

60

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

12

Przewodność cieplna ZnO Tylko wkład pochodzący od sieci krystalicznej — wkład ze strony swobodnych nośników jest zaniedbywalny.

1 κ = κ L = C L (T )vL(T ), 3 gdzie: CL(T) — ciepło właściwe na jednostkę objętości, v — prędkość dźwięku, L(T) — średnia droga swobodna fononów. W proponowanym modelu:

κ=

C L (T )a L v , 3α vγT

gdzie: αv — objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej, γ — parametr Gruneisena (dobierany do danych doświadczalnych), aL — stała sieci w rozpatrywanym kierunku (równoległym do a lub do c). Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

13

Przewodność cieplna ZnO Parametry wykorzystane w symulacji parametr

wartość

prędkość dźwięku w kierunku równoległym do a [m/s]

5410

prędkość dźwięku w kierunku równoległym do c [m/s]

8667

stała sieci a [Å]

3.250

stała sieci c [Å]

5.206

parametr Gruneisena, dobrany do danych doświadczalnych dla κ(T=300K) = 54 Wm–1K–1

12.523

objętościowy wsp. rozszerzalności cieplnej [1/K]

1.24·10–5

ciepło właściwe (RT) [J/kgK]

497

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

14

Przewodność cieplna ZnO

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

15

Ruchliwość elektronów w ZnO Zależność ruchliwości od temperatury (w pobliżu temperatury pokojowej): δ0

 T  µ (T ) = µ 0   ,  300K  gdzie: δ0 — parametr dopasowywany empirycznie. Zależność ruchliwości od domieszkowania:

µ ( N ) = µ min +

µ max − µ min

α

1 + ( N / N ref )

,

gdzie: µmax – ruchliwość przy niskim domieszkowaniu, µmin – ruchliwość przy wysokim domieszkowaniu. Nref oraz α – parametry dopasowywane empirycznie. Aby otrzymać jednocześnie zależność ruchliwości od temperatury i domieszkowania należy pod μ0 podstawić wyrażenie z drugiego wzoru. Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

16

Ruchliwość elektronów w ZnO Parametry wykorzystane w symulacji: parametr

αa =αc µ amin = µ cmin

a µmax c µmax

a c N ref = N ref

wartość 0.5 30 m2/Vs 280 m2/Vs 250 m2/Vs 5·1017 cm–3

a c N ref = N ref Parametr dopasowywany jest do danych doświadczalnych uzyskanych dla próbki o parametrach najbardziej zbliżonych do modelowanej sytuacji. Tutaj podana przykładowa wartość.

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

17

Ruchliwość elektronów w ZnO Przykładowe wartości ruchliwości elektronów w temperaturze pokojowej uzyskane dla różnych próbek próbka

metoda wzrostu

ruchliwość elektronów [cm2/Vs]

koncentracja [cm-3]

materiał typu bulk

wzrost z par

205

6.0 ⋅1016

materiał typu bulk

metoda hydrotermalna

200

8.0 ⋅1013

cienka warstwa

PLD na substracie z szafiru (c)

155

2.0 ⋅1016

cienka warstwa

MBE na substra-cie z szafiru (c)

130

1.2 ⋅1017

cienka warstwa

MBE na substra-cie z szafiru (a)

120

7.0 ⋅1016

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

18

Ruchliwość elektronów w ZnO w funkcji temperatury

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

19

Ruchliwość elektronów w ZnO w funkcji koncentracji swobodnych nośników

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

20

Przykładowa struktura

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

21

Przykładowa struktura Parametry struktury: • Wzrost struktury odbywał się za pomocą metody MBE na substracie z krzemu typu n. • Warstwa buforowa redukująca naprężenia pomiędzy ZnO a substratem (krzemem), wynikające z niedopasowania sieciowego tych materiałów. • Warstwę n domieszkowano galem (Ga) — koncentracja elektronów wynosiła 2.7·1019 cm-3. • Warstwę p uzyskano za pomocą domieszek antymonowych (Sb) — brak informacji o koncentracji dziur.

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

22

Materiały azotkowe – AlxInyGa1-x-yN GaN struktura krystaliczna stała sieci [Å] rozszerzalność cieplna [10-6 K-1]

AlN

InN

heksagonalna (wurcyt) a

3.1885

3.1106

3.5365

c

5.1850

4.9795

5.7039

a

3.17

5.27

3.80

c

5.59

4.15

2.90

Struktura krystaliczna materiału GaN http://www.inlustra.com X. Wang, A. Yoshikawa, Prog. Crystal Growth and Charact. 48/49 (2004) 42-103.

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

23

Właściwości cieplne azotków Zakresy wartości przewodności cieplnych RT azotkowych stopów dwuskładnikowych: GaN 0.8 µm film - bulk GaN: 50 W/mK [1]- 230 W/mK [2] AlN 0.24 µm film - bulk AlN: 1.4 W/mK [3] - 285 W/mK [4] bulk InN: 45 W/mK [5] [1] D. I. Florescu, V. M. Asnin, F. H. Pollak, R. J. Molnar, C. E. C. Wood, J. App. Phys. 88 (2000) 3295-3300. [2] C. Mion, J. F. Muth, E. A. Preble, and D. Hanser, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 092123. [3] Y. Zhao, C. Zhu, S. Wang, J. Z. Tian, D. J. Yang, C. K. Chen, H. Cheng, and P. Hing, J. Appl. Phys. 96 (2004) 4563-4568. [4] G. A. Slack, R. A. Tanzilli, R. O. Pohl, and J. W. Vandersande, J. Phys. Chem. Solids 48 (1987) 641 [5] S. Krukowski, A. Witek, J. Adamczyk, J. Jun, M. Bockowski, I. Grzegory, B. Lucznik, G. Nowak, M. Wroblewski, A. Presz, S. Gierlotka, S. Stelmach, B. Palosz, S. Porowski, and P. Zinn, J. Phys. Chem. Solids 59 (1998) 289-295.

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

24

Właściwości cieplne azotków

C. Mion, J. F. Muth, E. A. Preble, D. Hanser, Superlatt. Microstruct. 40 (2006) 338-342. C. Mion, J. F. Muth, E. A. Preble, D. Hanser, App. Phys. Lett. 89 (2006) 092123.

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

25

Właściwości cieplne azotków

[1] J. Zou, D. Kotchetkov, A. A. Balandin, D. I. Florescu, F. H. Pollak, J. App. Phys. 92 (2002) 2534. [2] Y. Oshima, T. Yoshida, T. Eri, M. Shibata, T. Mishima, Phys. Stat. Sol. C 4 (2007) 2215.

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

26

Właściwości cieplne azotków grubość warstw: 40-90 nm Al0.2Ga0.8N/sapphire: Al0.44Ga0.56N/sapphire:

15 W/mK 10 W/mK

B. C. Daly, H. J. Maris, A. V. Nurmikko, M. Kuball, J. Han, J. Appl. Phys. 92 (2002) 7.

grubość warstwy: 700 nm Al0.4Ga0.6N/sapphire:

25 W/mK

W. Liu, A. A. Balandin, App. Phys. Lett. 85 (2004) 5230.

grubość warstw: 110 nm In0.16Ga0.84N/GaN/sapphire: In0.22Ga0.78N/GaN/sapphire: In0.28Ga0.72N/GaN/sapphire: In0.36Ga0.64N/GaN/sapphire:

8.1 W/mK 5.4 W/mK 2.7 W/mK 1.1 W/mK

B. N. Pantha, R. Dahal, J. Li, J. Y. Lin, H. X. Jiang, G. Pomrenke, Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 042112.

Zadanie 3.3

CAlGaN = 0.1

CInGaN = 0.6

J. Piprek, Nitride Semiconductor Devices: Principles and Simulation, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim (2007)

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

27

Właściwości cieplne azotków

[1] C. Mion, J. F. Muth, E. A. Preble, D. Hanser, App. Phys. Lett. 89 (2006) 092123. [2] B. A. Danilchenko, I. A. Obukhov, T. Paszkiewicz, S. Wolski, A. Jeżowski, Sol. St. Comm. 144 (2007) 114-117. [3] R. T. Bondokov, S. G. Mueller, K. E. Morgan, G. A. Slack, S. Schujman, M. C. Wood, J. A. Smart, L. J. Schowalter, J. Cryst. Growth 310 (2008) 4020-4026. [4] Y. K. Koh, Y. Cao, D. G. Cahill, D. Jena, Adv. Funct. Mat. 19 (2009) 610-615.

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

28

Właściwości elektryczne azotków

[1] E. Iliopoulos, M. Zervos, A. Adikimenakis, K. Tsagaraki, A. Georgakilas, Superlat.Microstruct. 40 (2006) 313-319. [2] K. Kusakabe, T. Furuzuki, K. Ohkawa, Physica B 376-377 (2006) 520-522. [3] Y. Oshima, T. Yoshida, T. Eri, M. Shibata, T. Mishima, Phys. Stat. Sol. C 4 (2007) 2215-2218.

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

29

Właściwości elektryczne azotków

[1] I.P.Smorchkova, E.Haus, B.Heying, P.Kozodoy, P.Fini, J.P.Ibbetson, S.Keller, S.P.DenBaars, J.S.Speck, U.K.Mishra, App.Phys.Lett. 76 (2000) 718-720. [2] A.Bhattacharyya, W.Li, J.Cabalu, T.D.Moustakas, D.J.Smith, R.L.Hervig, App.Phys.Lett. 85 (2004) 4956-4958. [3] M.McLaurin, T.E.Mates, F.Wu, J.S.Speck, J.App.Phys. 100 (2006) 063707.

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

30

Polaryzacja spontaniczna  występuje nawet przy braku naprężeń i jest wynikiem istnienia w związkach azotków III grupy kowalencyjnego wiązania metal-azot.

Schematyczna budowa kryształu AlN.

Polaryzacja spontaniczna dla materiałów azotkowych. Kierunek polaryzacji spontanicznej pokrywa się z osią krystaliczną c, natomiast zwrot jest zgodny z [0001] .

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

31

Polaryzacja piezoelektryczna  powstaje na skutek istnienia naprężeń w strukturze. Polaryzacja piezoelektryczna wywołana naprężeniem dana jest wyrażeniem:σ jk P PZ i

gdzie d ijkto tensor odkształcenia piezoelektrycznego.

Pi PZ =

∑ dijkσ jk jk

a) Warstwa o innej stałej sieciowej niż podłoże nakła-dana jest bez jego zniekształcenia, b) w miejscu, gdzie wiązanie na złączu jest zerwane, tworzą się dyslokacje, c) przypadek, w którym warstwa wierzchnia jest zniekształcona w taki sposób, by nie powstały defekty.

Zadanie 3.3

Polaryzacja piezoelektryczna dla materiałów azotkowych.

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

32

Polaryzacja całkowita  jest sumą polaryzacji piezoelektrycznej oraz spontanicznej:

P = P PZ + P PS Pole elektryczne E jest związane z polaryzacją całkowitą P w następujący sposób:

E=

D−P

ε

gdzie: D  przesunięcie elektryczne, ε  przenikalność elektryczna materiału. Pole elektryczne w wybranej warstwie (studni lub barierze) należącej do MQW:

lk Pk

Ej =

∑ εk

− Pj

k

εj

lk

∑ εk k

lk

∑ εk k

Dla jednej studni otoczonej przez nie naprężone bariery:

PBSP − PSSP − PSPZ ES = L εS + ε B S 2LB

gdzie: L  szerokość warstwy. Zadanie 3.3

PSSP + PSPZ − PBSP EB = L ε B + 2ε S B LS

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

33

Funkcje falowe w strukturze AlN/GaN przy zewnętrznym polu a) -0.2 V/nm, b) 0 V/nm, c) 0.25 V/nm. Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

34

Schemat struktury AlN/GaN w T = 300 K

Wartości parametrów materiałowych dla struktury AlN/GaN

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

35

Wpływ pola na odległości między poziomami energetycznymi.

Zadanie 3.3

Wpływ pola na odległości pomiędzy poziomami energetycznymi.

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

36

Ilustracja QCSE: schemat struktury pasmowej studni kwantowej GaN bez (linia ciągła) i z uwzględnieniem wpływu polaryzacji (linia przerywana).

Kwadraty obwiedni funkcji falowych elektronów z pasma przewodnictwa (cc1) i ciężkich dziur z pasma walencyjnego (hh1) w 50Å studni kwantowej GaN z barierami Al0.2Ga0.8N z uwzględnieniem polaryzacji (linia przerywana) oraz z jej pominięciem (linie ciągłe).

Zadanie 3.3

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

37

Kamienie milowe zadania 3.4 w roku 2009 3.4 Modelowanie zjawisk i projektowanie konstrukcji źródeł promieniowania UV na bazie GaN i ZnO wykorzystujących kryształy fotoniczne M6 Opracowanie uproszczonego modelu optycznego diody elektroluminescencyjnej o emisji powierzchniowej zbudowanej z wykorzystaniem kryształu fotonicznego M12 Opracowanie uproszczonego modelu termicznoelektrycznego diody elektroluminescencyjnej o emisji powierzchniowej zbudowanej z wykorzystaniem kryształu fotonicznego Zadanie 3.4

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

38

Przykładowe obliczenia kryształu fotonicznego 







Policzono strukturę pasmową warstwy GaN w powietrzu trójkątna siatka otworów wyznaczono zarówno mody prowadzone jak i radiacyjne punkt wyjścia do dalszych obliczeń

Zadanie 3.4

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

39

Rozkład pola optycznego w krysztale fotonicznym

Zadanie 3.4

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

40

Zastosowanie PC w diodach 





Zwiększona wydajność emisji spontanicznej Γ dzięki wysokiej gęstości stanów na krawędziach pasm Zwiększona sprawność ekstrakcji η z uwagi na zawinięcie pasm i możliwość zablokowania modów prowadzonych Problemem jest, że oba powyższe efekty są w pewien sposób wykluczające się (największe η jest w przerwie fotonicznej, ale wtedy Γ = 0)

Zadanie 3.4

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

41

DOS

Modelowanie gęstości stanów w PC do zastosowania w diodach o emisji powierzchniowej

Zadanie 3.4

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

42

Modelowanie optyczne diody z PC 



Policzenie gęstości stanów i wyznaczenie poprawy sprawności kwantowej — metodą PWAM, bądź rozwinięciem fal płaskich. Wyznaczenie poprawy sprawności ekstrakcji — możliwe są dwa podejścia:  przybliżenie emisji spontanicznej przez promieniujący dipol i zastosowanie FDTD,  wyznaczenie rozkładu modów w falowodzie metodą PWAM i wyliczenie współczynników sprzęgania przy pomocy teorii modów sprzężonych.

Zadanie 3.4

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

43

Modelowanie diody Podstawowe równania modelu dryftowo-dyfuzyjnego (MDD):

(

ε 0∇(ε r ∇ψ ) = − q p − n + N D+ − N A−  1 ∂n + R − G = ∇ jn  q ∂t   ∂p 1  + R − G = − ∇ jp  q ∂t  jn = − qµ n n∇φn + qDnT ∇T  jp = − qµ p p∇φp − qDTp ∇T 

Równanie przewodnictwa cieplnego:

)

∇S + ρ m c p

∂T =H ∂t

S = −k∇T S  strumień ciepła, ρm  gęstość masy, cp  ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, k  współczynnik przewodnictwa cieplnego, H  wydajność źródeł ciepła

ε0  przenikalność elektryczna próżni, εr  stała dielektryczna, ψ  potencjał, q  ładunek elementarny, ND+, NA‒ 

koncentracje zjonizowanych donorów i akceptorów, n, p  koncentracje elektronów i dziur, t  czas, R  tempo przejść rekombinacyjnych, G  tempo przejść generacyjnych, jn, jp  gęstości prądu dla elektronów i dziur, φn, φp  quasipoziomy Fermiego dla elektronów i dziur, μn, μp  ruchliwości elektronów i dziur, DnT, DpT  współczynniki termicznej dyfuzji dla elektronów i dziur

Zadanie 3.4

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

44

Modelowanie diody ND = 1·1016 cm-3

ND = 1·1018 m-3

NA = 1·1016 cm-3

ND = 1·1017 m-3

NA = 1·1017 m-3

NA = 1·1018 m-3

Porównanie wyników otrzymanych z modelu dryftowo-dyfuzyjnego z rozwiązaniem analitycznym dla homozłącza w przypadku braku napięcia zasilającego.

Zadanie 3.4

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

45

Modelowanie diody ND = 5·1016 cm-3

ND = 2·1018 m-3

NA = 1·1016 cm-3

ND = 1·1018 m-3

NA = 2·1017 m-3

NA = 5·1017 m-3 Porównanie wyników otrzymanych z modelu dryftowo-dyfuzyjnego z rozwiązaniem analitycznym dla heterozłącza w przypadku braku napięcia zasilającego.

Zadanie 3.4

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

46

Kamienie milowe zadania 3.5 w roku 2009 3.5 Analiza własności cieplnych przyrządów półprzewodnikowych z półprzewodników szeroko przerwowych M6 Zebranie parametrów cieplnych i ich zależności od temperatury dla półprzewodników szeroko przerwowych M12 Opracowanie w pełni trójwymiarowego modelu rozpływu strumienia ciepła w strukturach przyrządów półprzewodnikowych

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

47

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

48

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

49

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

50

T

y

Środek lasera prostopadle do warstw Tmax = 335.3 K

T

x

Zadanie 3.5

W płaszczyźnie warstwy czynnej Tmax = 335.0 K

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

51

z

y

A x

A–A

z

A Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

52

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

53

T

y

T

Środek lasera prostopadle do warstw Tmax = 307.8 K

T

x

z

W płaszczyźnie warstwy czynnej; Tmax = 307.6 K Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

54

Heat Sink

Active layer

z

x

Bottom DBR Zadanie 3.5

Air bridge

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

55

z

x

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

56

y

z

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

57

W płaszczyźnie warstwy czynnej Tmax = 309.1 K

z

x

T

z

Active layer

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

58

y

z

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

59

y

z

W płaszczyźnie warstwy czynnej; Tmax = 311.1 K T

z

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

60

z

x

Active layer Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

Air bridge 61

Model 3D – laser azotkowy

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

62

Model 3D – laser azotkowy Rozkład temperatury w laserze montowanym stroną p do miedzi dla obliczeń modelu dwu- oraz trójwymiarowego

Przewodność cieplna warstw lasera azotkowego w spoczynku (T-const) oraz podczas pracy w progu akcji laserowej (Tdependent)

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

63

Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

64

Publikacje 1. Maciej Kuc, Andrzej Brozi, Robert P. Sarzała, „Model cieplny lasera azotkowego o emisji krawędziowej”, XI Seminarium: Powierzchnia i Struktury Cienkowarstwowe, Szklarska Poręba Średnia, 19-22 maja 2009, streszczenia pp. 28. 2. Maciej Kuc, Andrzej Brozi, Robert P. Sarzała, „Wpływ montażu chipu laserowego na wzrost temperatury w jego wnętrzu”, III Krajowa Konferencja Nanotechnologii, Warszawa 22-26 czerwca 2009, streszczenia pp. 139. 3. Maciej Kuc, „Problems with thermal management of nitride diode lasers”, VIII International Conference on Microtechnology and Thermal Problems in Electronics MICROTHERM 2009: June 28-July 1, 2009, Lodz, Poland. 4. Maciej Kuc, Robert P. Sarzała, „Thermal model of nitride edge-emitting laser diodes”, Optica Applicata XXXIX, 2009, pp. 663-672. 5. Maciej Kuc, „Thermal properties of nitride materials employed in high-power InGaN laser diodes”, Materials Science and Engineering B – Special Issue MicroTherm (Manuscript Number MSB-D-09-01449 with editor) . 6. Krasimir Panajotov, Maciej Dems, „Photonic crystal vertical-cavity surface-emitting lasers with true photonic bandgap”, Optics Letters 35, 2010, pp.829-831. Zadanie 3.5

I Konferencja InTechFun, 9 kwietnia 2010 r., Warszawa Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

65

I Konferencja „Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik sensorowych” InTechFun POIG.01.03.01-00-159/08

Współfinansowana przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego

Organizatorzy: Instytut Fizyki PAN i Instytut Technologii Elektronowej

9 kwietnia 2010 r., Warszawa