Báo cáo Tính toán ðịnh hướng chế tạo LED cho bức xạ 330nm (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Tính toán ðịnh hướng chế tạo LED cho bức xạ 330nm (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM TÍNH TOÁN ÐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO LED CHO BỨC XẠ 330nm MÃ SỐ: T2013 - 157 Chủ nhiệm đề tài: GV. ThS. HUỲNH HOÀNG TRUNG S K C0 0 5 3 7 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH    BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TÍNH TOÁN ĐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO LED CHO BỨC XẠ 330nm MÃ SỐ: T2013 - 157 Chủ nhiệm đề tài: GV. ThS. HUỲNH HOÀNG TRUNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN    BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TÍNH TOÁN ĐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO LED CHO BỨC XẠ 330nm MÃ SỐ: T2013 - 157 Chủ nhiệm đề tài: GV. ThS. HUỲNH HOÀNG TRUNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013
4. DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH GV.ThS. Huỳnh Hoàng Trung Chủ nhiệm
5. MỤC LỤC Trang phụ bìa Mục lục Thông tin kết quả nghiên cứu MỞ ĐẦU 1 Chương 1: LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH UV-LED 4 1.1. Hợp chất bán dẫn Nitride - hợp chất tìm năng 4 1.2. Tính chất của LED 7 1.3. Công thức lien quan đến tính chất của linh kiện phát quang 12 Chương 2: TÍNH TOÁN CẤU TRÚC LED CHO BỨC XẠ 330nm 25 2.1. Giới thiệu phần mềm SiLENSe 14 2.2. Các thong số cần mô phỏng cho cấu trúc LED/UV-LED 14 2.3. Cấu trúc LED phát xạ bước sóng 330nm 15 2.4. Kết quả tính toán cho cấu trúc LED phát xạ 330nm 17 2.5. So sánh thực nghiệm 22 Chương 3: MÔ PHỎNG CHẾ TẠO UV-LED TRÊN THIẾT BỊ MOCVD 25 3.1. Giới thiệu thiết bị MOCVD 25 3.2. Giới thiệu phần mềm Intellisuite 25 3.3. Mô phỏng chế tạo LED phát xạ 330nm 26 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 PHỤ LỤC 40 i
6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN   Tp.HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2013 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung - Tên đề tài: Tính toán định hướng chế tạo LED cho bức xạ 330nm - Mã số: T2013-157 - Chủ nhiệm: GV. ThS. Huỳnh Hoàng Trung - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 01/2013 - 12/2013 2. Mục tiêu - Tìm hiểu về vật liệu bán dẫn Nitride: cấu trúc tinh thể và năng lượng. - Sử dụng phần mềm SiLENSe (Package SimuLED của hãng STR, LB Nga) thực hiện tính toán khe năng lượng (Eg), sự liên hệ giữa các thành phần trong các lớp đa giếng lượng tử (MQW), cường độ và bước sóng phát xạ của UV- LED. - Xem xét ảnh hưởng kích thước các lớp của MQW và và mật độ dòng trong cấu trúc đến bước sóng phát xạ của LED. - Mô phỏng quy trình chế tạo UV-LED dựa trên thiết bị MOCVD thực tế. 3. Tính mới và sáng tạo UV-LED là một trong những sản phẩm công nghệ cao, đang được chú trọng phát triển ở nhiều nước trên thế giới cho những ứng dụng như khử khuẩn, lọc không khí, các thủ tục y sinh, thông tin bảo mật, Đưa ra cấu trúc UV-LED với hiệu suất cao vẫn được nhiều nhà khoa học trên thế giới tìm hiểu, nghiên cứu nhằm đưa ra cấu trúc UV-LED tối ưu. ii
7. Ở Việt Nam việc nghiên cứu và chế tạo UV-LED còn rất mới, chưa có nhóm nghiên cứu nào đi sâu vào lĩnh vực này. 4. Kết quả nghiên cứu - Xem xét ảnh hưởng kích thước các lớp của MQW và mật độ dòng trong cấu trúc đến bước sóng phát xạ của LED. - Một cấu trúc tối ưu của LED phát xạ cho bước sóng dưới 330nm. - Quy trình chế tạo LED phát xạ cho bước sóng dưới 330nm dựa trên thiết bị MOCVD. 5. Sản phẩm - Quyển báo cáo tổng kết đề tài. - Bài báo cáo khoa học. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Sản phẩm của đề tài là tài liệu tham khảo rất hữu ích cho nhưng nghiên cứu chuyên sâu về linh kiện LED, đặc biệt về UV-LED. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) iii
8. MỞ ĐẦU Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Năm 1907, H. J. Round tại phòng thí nghiệm Marconi phát hiện ra một số chất vô cơ phát sáng khi bị áp điện. Năm 1927, nhà khoa học người Nga Oleg Vladimirovich Lose báo cáo về việc chế tạo LED, nhưng khám phá này chưa được đưa vào ứng dụng. Năm 1962, lần đầu tiên LED phát quang ánh sáng đỏ được chế tạo dựa trên GaAsP bởi Nick Holonyak tại công ty General Electric, ông được coi là cha đẻ của diode phát quang. Năm 1971, các LED phát quang ánh sáng xanh dựa trên vật liệu GaN được thực hiện bởi Jacques Pankove tại phòng thí nghiệm RCA, do hiệu suất chưa cao nên chưa được ứng dụng nhiều. Năm 1993, Shuji Nakamura (công ty Nichia) đã phát minh ra LED ánh sáng xanh với cường độ sáng cao, chế tạo trên vật liệu InGaN. Sự ra đời của LED xanh hiệu suất cao đã tạo tiền đề cho sự phát triển của LED trắng được chế tạo dựa trên vật liệu Y3Al5O12: Ce (hoặc YAG). Thực ra, phủ lớp Photphor trên lớp chuyển đổi giữa LED màu xanh và LED màu vàng để được LED màu trắng. Với sự phát minh này ông được nhận giải thưởng “Millennium Technology Prize” năm 2006. Năm 1995, lần đầu tiên diode phát xạ tại bước sóng ngắn 395nm với cấu trúc đơn giếng lượng tử (SQW) từ vật liệu AlGaN/GaN/GaInN được chế tạo. Ngày nay sự phát triển của các hợp kim AlGaN và AlGaInN đã tạo ra nhiều LED phát xạ bước sóng ngắn khác nhau được ứng dụng trong nhiều lãnh vực. Tính cấp thiết của đề tài UV-LED là một trong những sản phẩm công nghệ cao, đang được chú trọng phát triển ở nhiều nước trên thế giới cho những ứng dụng như khử khuẩn, lọc không khí, các thủ tục y sinh, thông tin bảo mật, Với những ưu điểm của UV-LED là kích thước nhỏ gọn, tuổi thọ cao, không gây ô nhiễm môi trường, giá thành rẻ, phạm vi bước sóng phát xạ rộng (từ 210nm đến 420nm). Tuy nhiên việc đưa ra cấu trúc UV-LED với hiệu suất cao vẫn được nhiều nhà khoa học trên thế giới tìm hiểu, nghiên cứu nhằm đưa ra cấu trúc UV-LED tối ưu. 1
9. Ở Việt Nam việc nghiên cứu và chế tạo UV-LED còn rất mới, chưa có nhóm nghiên cứu nào đi sâu vào lĩnh vực này. Mục tiêu - Tìm hiểu về vật liệu bán dẫn Nitride: cấu trúc tinh thể và năng lượng. - Sử dụng phần mềm SiLENSe (Package SimuLED của hãng STR, LB Nga) thực hiện tính toán khe năng lượng (Eg), sự liên hệ giữa các thành phần trong các lớp đa giếng lượng tử (MQW), cường độ và bước sóng phát xạ của UV-LED. - Xem xét ảnh hưởng kích thước các lớp của MQW và và mật độ dòng trong cấu trúc đến bước sóng phát xạ của LED. - Mô phỏng quy trình chế tạo UV-LED dựa trên thiết bị MOCVD thực tế. Cách tiếp cận Nghiên cứu cơ bản: Tham khảo tài liệu, xây dựng mô hình, tính toán và tối ưu. Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo các kết quả nghiên cứu trên thế giới về LED và UV-LED. - Sử dụng các công cụ toán và phần mền SiLENSe để khảo sát các cấu trúc MQW LED. Hiểu được cơ chế hoạt động của các hạt tải và bức xạ. - Mô phỏng quy trình chế tạo trên hệ MOCVD. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: LED phát xạ cực tím với bước sóng khoảng 330nm dựa trên vật liệu bán dẫn Nitride. - Phạm vi nghiên cứu: Lĩnh vực nghiên cứu cơ bản + Tính toán định hướng cho chế tạo LED phát xạ cực tím với bước sóng khoảng 330nm. + Xây dựng quy trình chế tạo LED trên hệ MOCVD tại Trung tâm R&D, SHTP. Nội dung nghiên cứu 2
10. - Tìm hiểu về vật liệu bán dẫn Nitride và UV-LED. - Sử dụng phần mềm SiLENSe thực hiện tính toán UV-LED đưa ra cấu trúc tối ưu. - Mô phỏng quy trình chế tạo UV-LED trên thiết bị MOCVD thực tế dựa vào phần mềm Intellisuite. 3
11. CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH UV-LED 1.1. Hợp chất bán dẫn Nitride - Hợp chất tìm năng Hợp chất Nitride được tạo thành từ các nguyên tố nhóm III như B, Al, Ga và In với N2 như BN, AlN, GaN, và InN cấu trúc tinh thể phụ thuộc vào góc ion [43]. Thế năng liên quan đến khe năng lượng (bandgap) được chia ra hai thành phần là liên kết hóa trị và liên kết ion. Khảo sát sự khác nhau 90o của góc pha giữa hai liên kết này, chúng ta thấy rằng bình phương năng lượng vùng cấm trung bình, Ega, bằng tổng các bình phương của năng lượng liên kết cộng hóa trị (Eh) và liên kết ion (C). [1.1] Chỉ số ion được xác định: . Hình 1.1: Sự liên hệ giữa năng liên kết hóa trị và liên kết ion đối với các cấu trúc tinh thể khác nhau. 4
12. Hình 1.1 thể hiện sự tương quan giữa các cấu trúc tinh thể khác nhau, Eh và C. Các cấu trúc RS được phân bố tại vùng cao hơn của biên được biểu thị bởi đường thẳng = 0,785. Mặc dù một đường thẳng không thể đại diện cho biên của vùng đối với cấu trúc ZB và WZ, nhưng các tinh thể với chỉ số ion cao có xu hướng biểu thị cấu trúc WZ. Ở áp suất và nhiệt độ phòng, sự sắp xếp trong cấu trúc của AlN, GaN, và InN bền vững gấp bốn lần so với cấu trúc WZ và gần như bền vững gấp bốn lần so với cấu trúc ZB. Ở áp suất cao, các hợp chất này bị chuyển pha thành cấu trúc có sự sắp xếp gấp sáu lần so với cấu trúc RS. Như hình 1.2 cho thấy tính đối xứng của các cấu trúc tinh thể WZ và ZB có thể 4 2 được chia thành các nhóm không gian C6v và Td , tương ứng. Các biểu tượng hình cầu lớn là các nguyên tố nhóm III, các hình cầu nhỏ hơn là các nguyên tố nhóm V. (a) (b) Hình 1.5: Mô hình cấu trúc tinh thể: (a) WZ và (b) ZB). Những hợp kim AlGaN và InAlGaN [6] đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các phòng thí nghiệm trên thế giới vì chúng được coi là những vật liệu tiêu biểu để đạt được UV-LED sâu hoặc diode laser (LD). Hình 1.3 thể hiện mối quan hệ giữa năng lượng vùng cấm chuyển tiếp - trực tiếp và hằng số mạng của hệ thống vật liệu InAlGaN có cấu trúc tinh thể Wurtzite và những bước sóng laser. Sự phát sáng chuyển tiếp - trực tiếp của vật liệu nền AlGaN có thể được điều chỉnh giữa 3,4 eV (GaN) và 6,2 eV (AlN). 5
13. (a) (b) Hình 1.3: (a) Sự liên hệ giữa năng lượng chuyển trạng thái trực tiếp của vùng cấm (band gap) với hằng số mạng (lattice constant) của cấu trúc wurtzite (WZ), (b) cấu trúc tinh thể wurtzite [6]. Phạm vi phát sáng mở rộng vùng tử ngoại (UV) của (In)AlGaN bao trùm các bước sóng laser của những laser khí hoặc laser UV bán dẫn khác nhau, bao gồm XeCl (308nm) hoặc laser excimer KrF (248nm), laser (337nm) và He-Cd (325nm). Bước sóng ngắn nhất từng đạt được hiện nay với nhóm III- Nitride là 250 nm. Hình 1.4: Các ứng dụng đa dạng của UV-LED. Những nguồn ánh sáng bán dẫn hoạt động trong vùng UV được yêu cầu cho một số ứng dụng, bao gồm sự chiếu sáng với tuổi thọ dài, tiệt trùng và khử độc cho 6
14. sử dụng trong y học, trong những quá trình hóa sinh, cho việc làm sạch môi trường, và cho lưu trữ thông tin quang học cao. Chúng rất quan trọng với việc làm sạch không khí trong nhà, làm sạch khí thải ô tô, hệ thống cảm biến UV, như được trình bày trong hình 1.4. Các đèn thủy ngân có thể được thay thế bởi các đèn chiếu sáng với tuổi thọ dài được kích thích bởi mảng UV-LED nếu các UV-LED giá thành thấp, hiệu suất cao có thể đạt được. Ánh sáng UV hiệu suất cao gần đây cũng đã thu hút sự chú ý đáng kể cho việc làm sạch môi trường, làm sạch nước sông, nước thải công nghiệp hay khí quyển. Nghiên cứu quá trình tạo các lớp màng của các vật liệu dựa trên Nitride đơn tinh thể cho các ứng dụng linh kiện phát quang, UV-LED hiệu suất cao sử dụng AlGaN/GaN dị cấu trúc kép (double heterostructure) đã được nhóm Akasaki công bố vào năm 1992. Hình 1.5: Sự phát triển gần đây của UV-LED với hiệu suất lượng tử ngoài (EQE) ở bước sóng ngắn hơn 400 nm dưới hoạt động cw ở nhiệt độ phòng (RT). 1.2. Tính chất của LED 1.2.1. Nguyên lý phát quang nối p – n Một trong những thành phần quan trọng trong cấu tạo của các thiết bị điện tử nói chung và cấu trúc của LED nói riêng đó là chuyển tiếp p - n. Chuyển tiếp p - n được hình thành khi cho bán dẫn loại p tiếp xúc với bán dẫn loại n. 7
15. Hình 1.6: Mô tả nguyên lý phát quang nối p - n. Bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương, bán dẫn loại n chứa nhiều điện tử tự do mang điện tích âm. Khi cho hai loại bán dẫn này tiếp xúc nhau, các lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang bán dẫn loại n, cùng lúc khối bán dẫn loại p nhận thêm điện tử (điện tích âm) từ khối bán dẫn n chuyển sang. Kết quả là khối bán dẫn p tích điện âm (thiếu lỗ trống, dư thừa điện tử) và khối bán dẫn n tích điện dương (thiếu điện tử, dư thừa lỗ trống). Ở biên giới vùng tiếp xúc hình thành điện trường làm cho một số điện tử bị lỗ trống hút, và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp lại với nhau tạo thành nguyên tử trung hòa điện. Quá trình này giải phóng ra năng lượng dưới dạng photon làm LED phát sáng. 1.2.2. Đặc tuyến Volt - Ampe Khi LED được áp điện thế thấp, dòng điện đi qua chủ yếu là do dòng bức xạ không tái hợp và một phần tái hợp ở bề mặt. Khi điện thế tăng, dòng chủ yếu là dòng bức xạ khuếch tán. Với điện áp thuận VF, dòng điện thuận: [1.2] Với dòng áp ngược VR, dòng điện ngược: [1.3] 8
16. Trong đó và là mật độ electron và lỗ trống trong vùng p và n; A là diện tích mặt cắt ngang lớp p - n; Lp, Ln, Dp, Dn là độ dài khuếch tán và hệ số khuếch tán của electron và lỗ trống. Hình 1.7: Đặc tuyến Volt - Ampe của chuyển tiếp p - n khi phân cực thuận. 1.2.3. LED bước sóng cực tím Phân loại ánh sáng theo bước sóng Sóng điện từ được miêu tả bởi ba đại lượng vật lý tiêu biểu: tần số, bước sóng và năng lượng photon. Tần số, bước sóng và năng lượng photon có mối liên hệ với nhau và tuân theo thuyết lượng tử ánh sáng của Mark Planck. Mối liên hệ đó được miêu tả như sau: [1.4] Mà [1.5] Từ [1.4] và [1.5] ta có biểu thức liên hệ giữa năng lượng photon với bước sóng: [1.6] Trong đó: : năng lượng photon (eV) h = 6,62.10-34Js = 4,14.10-15eVs: hằng số Planck c = 3.108m/s: vận tốc ánh sáng λ: bước sóng ánh sáng (m) f: tần số ánh sáng (Hz) 9
17. Từ biểu thức (1.6) ta có bảng phân loại ánh sáng theo bước sóng trong vùng tử ngoại. Bảng 1.1: Phân loại ánh sáng theo bước sóng theo tiêu chuẩn ISO-DIS-21348. Tên Viết tắt Bước sóng Năng lượng photon Ultraviolet A UVA 400 nm - 320 nm 3,10 - 3,94 eV Vùng cận NUV 400 nm - 300 nm 3,10 - 4,13 eV Ultraviolet B UVB 320 nm - 280 nm 3,94 - 4,43 eV Vùng giữa MUV 300 nm - 200 nm 4,13 - 6,20 eV Ultravolet C UVC 280 nm - 100 nm 4,43 - 12,4 eV Vùng viễn FUV 200 nm – 122 nm 6,20 – 10,2 eV Chân không VUV 200 nm – 10 nm 6,20 – 124 eV Vùng cực EUV 121 nm – 10 nm 10,2 – 124 eV Từ mối liên hệ giữa các đại lượng vật lý là bước sóng, tần số và năng lượng cho thấy rằng những vùng ánh sáng có bước sóng càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ, ngược lại, bước sóng càng ngắn thì năng lượng photon càng lớn. Nguyên lý phát xạ bước sóng cực tím của UV-LED Ngoài cấu trúc chuyển tiếp p - n, UV-LED còn có một vùng đặc biệt hơn so với các LED thông thường, vùng này có nhiệm vụ phát xạ ánh sáng có bước sóng tử ngoại, cấu trúc giếng lượng tử (quantum well). Hình 1.8: Mô tả nguyên lý phát xạ bước sóng cực tím của UV LED. 10
18. Khi được kích hoạt, các lỗ trống trong lớp bán dẫn loại p di chuyển xuống các lớp giếng lượng tử, đồng thời các điện tử trong lớp bán dẫn loại n cũng di chuyển vào cấu trúc đa giếng lượng tử. Tại đây chúng bị giam giữ trong các lớp giếng và bị kích thích lên các mức năng lương cao hơn. Sau đó chuyển về trạng thái các mức năng lượng thấp và phát xạ ra photon có bước sóng tử ngoại. Cơ sở lý thuyết của cấu trúc giếng lượng tử Khi chiều dày lớp kích hoạt trở nên gần với bước sóng De-Broglie, các hiệu ứng lượng tử trở nên rõ ràng hơn. Hệ quả của việc giam giữ điện tử và lỗ trống trong lớp rất mỏng là những phần tử đó sẽ hoạt động như các hạt trong giếng thế. Do đó, thay vì ở trạng thái liên tục trong vùng dẫn, những điện tử đó bị giam giữ ở trạng thái lượng tử gián đoạn trong vùng cấm của vật liệu. Tương tự như vậy, các trạng thái trong vùng hóa trị của lỗ trống bị hạn chế đối với những mức gián đoạn trong giếng lượng tử. Sự hình thành của các trạng thái lượng tử gián đoạn trong vùng cấm hẹp có hiệu quả làm thay đổi khe năng lượng vật liệu, và cung cấp một cách làm thay đổi năng lượng photon phát ra bằng cách kiểm soát độ dày của khe năng lượng hẹp trong vật liệu. Một giếng lượng tử đủ lớn, có thể giam giữ những hạt tải bên trong chính nó khi phân cực thuận. Vì thế, có thể sử dụng các giếng lượng tử để hạn chế sự phát xạ để chỉ xảy ra trong vùng kích hoạt, do đó nhận được bức xạ tối đa tại bước sóng phù hợp. Việc sử dụng đa giếng lượng tử để tăng cường sự giam giữ các hạt tải. Một cấu trúc giếng lượng tử có nhiều hơn 1 giếng lượng tử, do đó nó có thể chứa nhiều hạt tải hơn và do đó năng lượng phát xạ cao hơn. Hình 1.9: Mô tả sơ đồ vùng của giếng lượng tử. 11
19. 1.3. Công thức liên quan đến tính chất của linh kiện phát quang [62, 63] 1.3.1. Thống kê Fermi-Dirac Điện tử và lỗ trống tuân theo thống kê Fermi-Dirac. Nồng độ hạt dẫn (carrier concentration) của điện tử (n) và lỗ trống (p) liên hệ với điện thế là: , [1.7] Trong đó: - Fn, Fp: mức Fermi của điện tử, lỗ trống. - EC, EV : mức năng lượng bên dưới vùng dẫn, trên vùng hóa trị. - q: điện tích của điện tử - NC , NV: mật độ trạng thái trong vùng dẫn, vùng hóa trị: [1.8] , là khối lượng hiệu dụng trung bình của điện tử và lỗ trống. [1.9] khối lượng hiệu dụng theo trục a, trục c. 1.3.2. Mức Fermi của hạt mang điện Điện tử và lỗ trống trong cấu trúc LED có các mức Fermi bậc (F ( )): [1.10] 1.3.3. Nồng độ pha tạp trong ban dẫn loại n và p Nồng độ pha các chất Mg, P, Bo, Si, để tạo các vùng phát điện tử, rào chắn, kích hoạt MQW được ký hiệu là Na (chất nhận) và Nd (chất cho). Nồng độ ion của tạp chất cho liên hệ với toàn bộ nồng độ pha tạp ND: [1.11] Nồng độ ion của tạp chất nhận liên hệ với toàn bộ nồng độ pha tạp NA: [1.12] Với = 2 và = 4 là các hệ số suy biến, và là năng lượng kích hoạt của điện tử và lỗ trống. 12
20. 1.3.4. Phân bố điện thế trong cấu trúc LED Phương trình Poisson cho tình toán phân bố điện thế trong cấu trúc LED: [1.13] Với là hằng số điện trong chân không, và là thành phần tương ứng của hằng số điện môi tĩnh của chất bán dẫn có cấu trúc wurtzite. Vector phân cực tĩnh theo trục z: [1.14] Điều kiện biên cho phương trình Poisson: Tại rời rạc trong heterointerfaces z = zi [1.15] + Cạnh trái của cấu trúc LED + Cạnh phải của cấu trúc LED + Ub là điện thế phân cực và Uc là điện thế tiếp xúc được xác định từ các mức Fermi trên cả hai cạnh của cấu trúc tại mức điện thế phân cực zero. 1.3.5. Hiệu suất phát sáng bên trong (Internal Emission Efficiency, IQE) Một đặc điểm quan trong khác của LED là hiệu suất phát xạ bên trong , được xác định bởi: [1.16] Rrad là tỷ lệ bức xạ tái hợp của điện tử và lỗ trống: [1.17] là hằng số tái hợp phụ thuộc vào nhiệt độ. Do đó, hiệu suất lượng tử trong (IQE): [1.18] Hiệu suất phát xạ cho bởi: [1.19] 13
21. CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CẤU TRÚC LED CHO BỨC XẠ 330nm 2.1. Giới thiệu phần mềm SiLENSe SiLENSe (Simulator of Light Emitters based on Nitride Semiconductors) là phần mềm chuyên mô phỏng các tính chất của dị cấu trúc LED kiểu wurtzite dựa trên vật liệu bán dẫn nhóm III-Nitride và nhóm II-oxit. 2.2. Các thông số cần mô phỏng cho cấu trúc LED/UV-LED 2.2.1. Giản đồ năng lượng và mật độ hạt tải - Position là vị trí các hạt tải trong cấu trúc, đơn vị đo là nm. - Vùng dẫn (conduction band), vùng hóa trị (valence band), mức năng lượng Fermi của điện tử ( electron Fermi level), mức fermi của lỗ trống (hole Fermi level). Đơn vị đo là eV. - Mật độ dòng điện tử và lỗ trống (electron and hole current densities) có đơn vị A/cm2. 2.2.2. Đặc tuyến I-V - Điện thế áp (bias): V. - Mật độ dòng J (current density): A/cm2. - Hiệu suất lượng tử nội (Internal quantum efficiency): %. - Điện thế LED (voltage): V. - Dòng qua cấu trúc LED (current): A. - Mật độ điện tử trong vùng p (electron current density at p-type): A/cm2. - Mật độ lỗ trống trong vùng n (hole current density at n-type): A/cm2. 2.2.3. Hàm sóng hạt tải - Vị trí hạt tải trong cấu trúc (position): nm 14
22. S K L 0 0 2 1 5 4