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综合实验
实验GaN基多量子阱电学特性仿真
使用工具:
Silvaco
1实验目的
1.1了解GaN宽禁带材料;
1.2熟悉多量子阱结构特性;
1.3了解Silvaco软件基本操作;
1.4利用Silvaco软件仿真多量子阱电学特性;
2预习要求
2.1预习使用Silvaco软件;
2.2预习GaN多量子阱结构
3实验内容
3.1GaN基多量子阱结构简介(包括GaN基材料特性,异质结,多量子阱,应用等);
3.2Silvaco软件简介;
3.3用Silvaco软件对GaN多量子阱基本特性进行仿真,如电子浓度分布,导带和价带结构特点等基本性质;
以下是选做内容:
3.4分别改变量子阱中的势阱层和势垒层厚度,观察量子阱特性的变化;
3.5改变势垒层中Al的组分,观察其特性变化;
4实验报告要求
4.1写出实验题目、实验目的、仿真步骤、实验内容。
4.2记录分析仿真结果。
思考题
多量子阱和超晶格有何区别?
附录Silvaco示例:
1、生成量子阱结构(GaN/AlGaN结构)
1.1本实验所使用的量子阱基本结构如下表1所示:
层数
材料
厚度(Å)
组分(%)
1
GaN
100
0
2
AlGaN
70
20
3
GaN
30
0
4
AlGaN
70
20
5
GaN
30
0
6
AlGaN
70
20
7
GaN
30
0
8
AlGaN
70
20
9
GaN
30
0
10
AlGaN
70
20
11
GaN
30
0
12
AlGaN
70
20
1.2打开Silvaco软件,根据上面表格中的数据在Atlas中定义网格。
例如:
y.meshloc=0.0spac=0.0005
y.meshloc=0.005spac=0.0001
y.meshloc=0.007spac=0.00005
y.meshloc=0.01spac=0.00005
y.meshloc=0.015spac=0.0001
y.meshloc=0.015spac=0.0001
y.meshloc=0.017spac=0.00005
y.meshloc=0.02spac=0.00005
1.3定义区域,共12个区域,分别将区域定义为GaN材料和AlGaN材料。
regionnumber=1y.max=0.007material=AlGaNp=0.2
regionnumber=2y.min=0.007y.max=0.01material=GaN
regionnumber=3y.min=0.01y.max=0.017material=AlGaNp=0.2
1.4定义电极,定义阳极和阴极。
electrodename=anodetop
electrodename=cathodebottom
1.5掺杂,选择均匀掺杂
dopingn.typeconc=5e16uniform
1.6定义材料模型
materialmaterial=AlGaNedb=0.1taun0=1e-10taup0=7e-9
materialmaterial=AlGaNmup=20tmup=1vsatn=1.1459e7mun=200tmun=1align=0.7
量子阱结构图
1.7定义导带价带输出命令outputcon.bandval.bandrecombu.srhu.augu.radflowlines
1.8特性仿真,选择模型,迭代方式等,定义Solve语句,保存仿真日志文件。
modelsk.pfermiincompleteconsrhaugeroptrprint
modelsname=wellk.pchuangspontaneouslorentz
methodnewtontrapmaxtrap=10climit=1e-4
solveinit(偏压初始化)
保存结构,saveoutf=GaNMQW.str,输出结构,tonyplotGaNMQW.str
logoutf=GaNMQW.logmaster
methodgummelnewtontrapitlimit=20maxtrap=6
logoutf=vanode5v.log
先要定义保存的输出文件名字
solvevanode=0vstep=0.25vfinal=5name=anode
saveoutf=vanode5v.str
tonyplotvanode5v.str
tonyplotvanode5v.log
2、显示菜单功能
Display中常用其他图标:
第四个—showcontours(默认的是净掺杂);倒数第四个—showjunctions(显示结的位置);倒数第三个—showelectrodes(显示电极的位置).在菜单栏中依次选择Tools—Cutline按照需要观察测量中随深度或宽度的分布变化
电子浓度分布图
量子阱导带图
3、改变量子阱中的势垒层GaN层的厚度
设置厚度分别为40Å、50Å、60Å、70Å,80Å,AlGaN厚度保持70Å不变,仿真得到导带能带图和电子浓度图。
重新定义网格和区域边界,在同一软件界面内连续使用多个Atlas可实现这一功能,每个Atlas分别对应一个势阱层厚度,再利用显示结果的菜单功能将多个图形叠放在同一界面内。
不同GaN层厚度的导带能带图
不同GaN层厚度的电子浓度图
4改变量子阱中的势垒层AlGaN层的厚度
设置AlGaN层的厚度分别为50Å、60Å、70Å、80Å、90Å,而GaN厚度保持70Å不变。
重新定义网格和区域边界,在同一软件界面内连续使用多个Atlas可实现这一功能,每个Atlas分别对应一个势垒层厚度,再利用显示结果的菜单功能将多个图形叠放在同一界面内。
不同AlGaN层厚度的导带能带图
不同AlGaN层厚度的电子浓度图
5、改变AlGaN中Al的组分
改变势垒层AlGaN层中的Al组分,观察这一改变对多量子阱能带结构和电子浓度的影响。
分别设置Al组分为0.20、0.25、0.30、0.35、0.40。
不需要重新定义网格和区域边界,只需在定义区域时改变Al的组分。
可使用:
regionnumber=5y.min=0.403y.max=0.410material=AlGaNp=0.2语句,改变p的值即可。
不同Al组分的导带能带图
不同Al组分的电子浓度图
具体步骤详解
1、调用atlas器件仿真器
goatlas
#TITLEGaNquantumwells:
simulation
#
定义器件结构
#-------------------------------------------------------------
#SECTION1:
MESHGENERATION划分网格(在电场变化剧烈地方就网格密一点,总的格点数目在3000个左右为好,不要超过6000个否则很难收敛,计算很慢;几nm薄就保证有5层以上网格,厚了那随你了,比如5nm薄层,只设两层网格就太少了;在deckbuild下半边的窗口实时输出里有格点数目,可以把那窗口的东西拷出来搜gridpoints)
#-------------------------------------------------------------
#0.1umX0.1um
#网格初始化
#x方向网格定义
mesh
x.meshl=0.0spacing=0.01
x.meshl=0.1spacing=0.01
#y方向网格定义(在异质结界面附近的网格要细点)
y.meshloc=0.0spac=0.0005
y.meshloc=0.005spac=0.0001
y.meshloc=0.007spac=0.00005
y.meshloc=0.01spac=0.00005
y.meshloc=0.015spac=0.0001
y.meshloc=0.017spac=0.00005
y.meshloc=0.02spac=0.00005
y.meshloc=0.025spac=0.0001
#-------------------------------------------------------------
#SECTION2:
REGIONSANDELECTRODES定义材料区域和电极
#-------------------------------------------------------------
#(gradedheterojunctionsoutsideofcladdinglayers)
#定义区域
regionnumber=1y.max=0.007material=AlGaNp=0.2
regionnumber=2y.min=0.007y.max=0.01material=GaN
regionnumber=3y.min=0.01y.max=0.017material=AlGaNp=0.2
regionnumber=4y.min=0.017y.max=0.02material=GaN
#定义电极()
electrodenum=1name=anodetop
electrodenum=2name=cathodebottom
#
#-------------------------------------------------------------
#SECTION3:
DOPINGPROFILES定义掺杂
#-------------------------------------------------------------
#
dopinguniformy.min=0n.typeconc=5e16
#
#
#---------------------------------------------------------------
#SECTION4:
MATERIALMODELS材料模型定义
#---------------------------------------------------------------
#
#(radiativerecombinationconstantssameforAlGaNandGaN)
#
materialmaterial=AlGaNedb=0.1(施主能级)taun0=1e-10(SRH复合的电子寿命)taup0=7e-9(SRH复合的空穴寿命)
materialmaterial=AlGaNmup=20(低场空穴迁移率-需指定迁移率浓度依赖模型)tmup=1vsatn=1.1459e7(电子饱和速度)mun=200(低场电子迁移率-需指定迁移率浓度依赖模型)tmun=1align=0.7(不同禁带宽度材料接触时导带不连续参数)
materialmaterial=GaNedb=0.04taun0=1e-10taup0=7e-9
materialmaterial=GaNmup=20tmup=1vsatn=1.1459e7mun=900tmun=1
定义异质结界面极化电荷(请注意从上到下,每一个异质结界面的极化电荷取值大小的设置)
interfacey.min=0.0568y.max=0.0572charge=1.2e13s.s
#taun0(GaN),taup0(GaN)areaccurate
modelaugeroptrsrhbgnprint
#
#Ifbarrierexistsatanodeneedtosetworkf=4.07+barrierheight
#contactname=anodeworkfun=4.69
#
#SECTION5:
OUTPUTFLAGS输出能带
#----------------------------------------------------------------
#
outputcon.bandval.bandrecombu.srhu.augu.radflowlines
#
#
#----------------------------------------------------------------
#SECTION6:
INITIALSOLUTION偏压初始化
#----------------------------------------------------------------
#
modelsk.pfermiincompleteconsrhaugeroptrprint物理模型定义
modelsname=wellk.pchuangspontaneouslorentz
methodnewtontrapmaxtrap=10climit=1e-4
solveinit偏压初始化
#
保存并输出结构
saveoutf=GaNMQW.str
tonyplotGaNMQW.str
#-----------------------------------------------------------------
#SECTION7:
BIASRAMP设置偏压求解
#-----------------------------------------------------------------
#
#0.0to5.0Vforwardbias
#
logoutf=GaNMQW.logmaster
methodgummelnewtontrapitlimit=20maxtrap=6数值计算方法选择语句
结果保存(先需要设置数据保存在日志文件,之后才可以用Tonyplot显示出来)
logoutf=vanode5v.log
再定义电压偏置
solvevanode=0vstep=0.25vfinal=5name=anode
saveoutf=vanode5v.str
tonyplotvanode5v.str
tonyplotvanode5v.log
#
quit
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