РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ АКАДЕМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ – НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР НАНОТЕХНОЛОГИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
УТВЕРЖДАЮ: _______________/ / «__»__________20__г. Проректор по учебной работе |
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
«Моделирование активной области полупроводниковых светоизлучающих приборов (светодиодов и лазеров)»
© СПб АУ НОЦНТ РАН, 2012
Санкт-Петербург
2012 г.
Методические рекомендации по учебной дисциплине «Моделирование активной области полупроводниковых светоизлучающих приборов (светодиодов и лазеров)»
1. Сведения об учебной дисциплине
Учебная дисциплина «Моделирование активной области полупроводниковых светоизлучающих приборов (светодиодов и лазеров)» входит в состав профессионального модуля «Моделирование полупроводниковых приборов на основе полупроводниковых наногетероструктур и их характеристик», являющегося частью образовательной программы дополнительного профессионально образования «Эпитаксиальный рост полупроводниковых структур и разработка сверхъярких светодиодов», предназначенной для специалистов в области моделирования полупроводниковых светоизлучающих приборов предприятий, специализирующих на выпуске светоизлучающих полупроводниковых приборов и родственной продукции.
Результатом освоения учебной дисциплины должно стать формирование компетенции по разработке активной области полупроводниковых светоизлучающих приборов (светодиодов и лазеров) с помощью численного моделирования. Максимальная учебная нагрузка обучающегося в рамках учебной дисциплины составляет 35 часов, в том числе обязательная аудиторная учебная нагрузка 20 часов, из которых 15 часов – на практические работы.
Текущий контроль по учебной дисциплине проводится преподавателем в форме проверки отчетов по практическим занятиям. Промежуточный контроль по учебной дисциплине проводится в форме тестирования остаточных знаний. Кроме того, опыт практической деятельности в области моделирования полупроводниковых наногетероструктур, приобретенный обучающимся в ходе освоения учебной дисциплины, проверяется по окончании освоения всех учебных дисциплин, входящих в модуль, в форме выполнения выпускной квалификационной работы в виде выполнения практического задания, связанного с моделированием приборной реализации светоизлучающего диода.
2. Образовательная траектория в рамках учебной дисциплины, общие рекомендации по освоению учебной дисциплины
Учебная дисциплина построена на сочетании лекций и практических занятий. Лекционные занятия преследуют цель подготовить слушателей к последующему успешному выполнению практических занятий. На лекциях изучаются физические основы процессов моделирования, методы моделирования в конкретных программных пакетах, а также подробно интерфейс и функциональные возможности каждого пакета. Продолжительность каждой лекции составляет 2-3 часа, всего в рамках учебной дисциплины обучающиеся прослушают 2 лекции.
Практические занятия проводится с использованием компьютера. В начале занятия преподаватель демонстрирует слушателям правильное решения задания, аналогичного тому, что будет предложено слушателям. В ходе практического занятия слушатели выполняют задание, данное им преподавателем (ассистентом преподавателя). Результаты выполнения практического занятия оформляются в виде отчета по практической работе, который слушатель готовит в часы, отведенные для самостоятельной подготовки. В отчете должны быть представлены результаты анализа данных, выполненные в ходе занятия, а также выполнена работа, аналогичная проделанной в классе, но с другими вводными условиями. Продолжительность практического занятия составляет 1-3 часа, в рамках учебной дисциплины будет выполнено 10 практических заданий.
В ходе самостоятельной работы слушатели, помимо выполнения заданий, связанных с практическими занятиями, повторяют пройденный лекционный материал, читают рекомендованную литературу, в том числе самостоятельно изучают некоторые аспекты учебной дисциплины, не затронутые или недостаточно подробно освещенные на аудиторных занятиях. Всего на самостоятельную подготовку в рамках учебного учебной дисциплины отведено 15 часов.
Учебная дисциплина разбита на четыре темы, изучаемые последовательно:
1) Знакомство с пакетом Silense;
2) Моделирование активной области синего светодиода;
3) Моделирование активной области красного светодиода;
4) Моделирование активной области полупроводникового лазера.
Каждая тема включает в себя одну лекцию и несколько практических занятий.
Рекомендованная последовательность освоения учебного материала приведена ниже:
№ занятия | Название занятия | Продолжительность в часах |
Тема 1. «Знакомство с пакетом Silense» | ||
1.1. | Лекция «Интерфейс и функциональные возможности пакета Silense. Физические модели, используемые при моделировании с помощью пакета Silense». | 2 |
1.2. | Практическое занятие «Освоение функций пакета на примере простейшей структуры (p-n перехода). Тестовый расчет и визуализация результатов». | 2 |
Самостоятельная работа: повторение материала лекции и подготовка отчета по практическому занятию. Самостоятельное выполнение задания «Моделирование спектральных и электрических характеристик гетероструктуры, содержащей p-n переход с квантовой ямой». Выполнение отчета по заданию. | 4 | |
Всего по теме | 8 | |
Тема 2. Моделирование активной области синего светодиода | ||
2.1. | Лекция «Взаимосвязь параметров активной области с ее выходными электрическими и спектральными характеристиками. Физические процессы, приводящие к снижению эффективности работы активной области синего светодиода, и способы борьбы с ними». | 3 |
2.2 | Практическое занятие «Программирование дизайна гетероструктуры с гетеропереходом I рода, используемой в активной области синего светодиода (на основе нитридов третьей группы)». | 1 |
2.3 | Практическое занятие «Расчет ограничения носителей заряда в квантовых ямах и сверхрешетках в гетероструктуре. Расчет зонной диаграммы, электрической поляризации, вольт-амперной характеристики, а также спектральных характеристик излучения из гетероструктуры.» | 3 |
2.4 | Практическое занятие «Моделирование структуры с гетеропереходом II рода (смешанная система: нитриды третьей группы и оксиды второй группы)». | 1 |
Самостоятельная работа: повторение материала лекции и выполнение отчета по практическим занятиям. Самостоятельное выполнение задания «Исследование влияния электрической поляризации на спектр излучения гетероструктуры с одиночной квантовой ямой». Подготовка отчета по выполнению задания. | 4 | |
Всего по теме | 12 | |
Тема 3. Моделирование активной области красного светодиода а | ||
3.1 | Практическое занятие «Программирование дизайна гетероструктуры, используемой в активной области красного светодиода (на основе фосфидов третьей группы)». | 1 |
3.2 | Практическое занятие «Расчет ограничения носителей заряда в квантовых ямах и сверхрешетках в гетероструктуре. Расчет зонной диаграммы, электрической поляризации, вольт-амперной характеристики, а также спектральных характеристик излучения из гетероструктуры». | 2 |
3.3 | Практическое занятие «Влияние непрямозонности соединений на вольт-амперную характеристику гетероструктуры». | 1 |
Самостоятельная работа: подготовка отчета по практическим занятиям. Самостоятельное выполнение задания «Разработка и программирование дизайна активной области светодиода, излучающего в желтой области спектрального диапазона». Выполнение отчета по выполненной работе. | 4 | |
Всего по теме | 8 | |
Тема 4. Моделирование активной области полупроводникового лазера | ||
4.1 | Практическое занятие «Программирование дизайна гетероструктуры, используемой в активной области полупроводникового лазера на основе нитридов третьей группы». | 1 |
4.2 | Практическое занятие «Моделирование работы активной области полупроводникового лазера. Визуализация модовой структуры резонатора. Построение диаграмм излучения лазера в дальнем поле». | 2 |
4.3 | Практическое занятие «Анализ влияния конструкции волновода лазерной гетероструктуры на пороговую плотность тока и выходную мощность лазера». | 1 |
Самостоятельная работа: подготовка отчета по практическим занятиям. Самостоятельное выполнение задания «Разработка и программирование дизайна активной области мощного инфракрасного полупроводникового лазера (на основе арсенидов третьей группы)». Выполнение отчета по проделанной работе. | 3 | |
Всего по теме | 7 | |
Всего по учебной дисциплине | 35 |
3. Рекомендации по изучению тем (разделов) учебной дисциплины
Тема 1. «Знакомство с пакетом Silense»
При изучении темы слушатель особое внимание должен уделить следующим вопросам:
1. Основные элементы интерфейса пакета Silense;
2. Основные режимы моделирования;
3. Функциональные возможности пакета;
4. Визуализация результатов моделирования;
5. Физические модели, используемые при моделировании с помощью пакета Silense.
При выполнении практических заданий слушатели должны особенное внимание уделить правильному выполнению следующих действий:
1. Последовательность ввода дизайна гетероструктуры в пакете Silense;
2. Правильное задание легирования нижнего слоя гетероструктуры (n-тип);
3. Задание подвижности носителей в слоях;
4. Задание упругих напряжений и времен безызлучательной рекомбинации в слоях;
5. Последовательность действий, необходимых для запуска расчета;
6. Визуализация зонной диаграммы и уровней Ферми носителей в гетероструктуре.
Для получения более полной информации по теме рекомендуется использовать литературу, указанную в программе учебной дисциплины, в том числе:
1. Физика полупроводников, , М.: Лань. 2010.
2. Введение в теорию полупроводников, , М.: Лань, 2008.
3. Основы физики полупроводников, , М.: Физматлит, 2009.
Интернет-ресурсы:
http://ecee. colorado. edu/~bart/book/book/ (B. Van Zeghbroeck, “Principles of Semiconductor Devices” – электронный курс)
Тема 2. «Моделирование активной области синего светодиода»
При изучении темы слушатель особое внимание должен уделить следующим вопросам:
1) Полупроводниковые материалы, используемые в активной области светодиодов, излучающих в синем спектральном диапазоне (GaN, InN, AlN и их твердые растворы), и их физические свойства;
2) Влияние токов утечки на эффективность инжекции носителей;
3) Влияние процессов безызлучательной рекомбинации на квантовый выход активной области;
4) Влияние тока накачки и температуры на спектр излучения активной области;
5) Введение сверхрешеточных слоев для улучшения транспортных свойств структуры;
6) Введение тонких блокирующих слоев для подавления токов утечки.
При выполнении практических заданий слушатели должны особенное внимание уделить правильному выполнению следующих действий:
1) Характерные особенности дизайна активной области на основе нитридов третьей группы: множественные тонкие квантовые ямы, дополнительные сверхрешеточные слои, блокирующие слои;
2) Ручное задание оптически активных слоев;
3) Флуктуационная модель расчета в квантовых ямах, содержащих индий;
4) Задание плотности дислокаций в слоях структуры;
5) Расчет волновых функций электронов и дырок, локализованных в квантовых ямах и сверхрешетках;
6) Расчет и визуализация вольт-амперной характеристики структуры;
7) Расчет и визуализация спектров излучения;
8) Особенности моделирования гетеропереходов второго рода.
Для получения более полной информации по теме рекомендуется использовать литературу, указанную в программе учебной дисциплины, в том числе:
1. Светодиоды, Физматлит 2008
2. G. Held Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, Taylor and Francis Group 2008
3. S. Nakamura, S. Pearton, G. Fasol The Blue Laser Diode, Springer 2000.
4. S. Nakamura, S. Chichibu Introduction to Nitride Semiconductor Blue Lasers and Light Emitting Diodes, Taylor and Francis 2000.
5. B. Gil Low-Dimensional Nitride Semiconductors, Oxford University Press 2002.
6. P. Ruterana, M. Albrecht, J. Neugebauer Nitride Semiconductors: Handbook on Materials and Devices, John Wiley and Sons 2006.
Интернет-ресурсы:
База данных по полупроводниковым материалам: http://www. matprop. ru/
Тема 3. «Моделирование активной области красного светодиода»
При изучении темы слушатель особое внимание должен уделить следующим вопросам:
1) Полупроводниковые материалы, используемые в активной области светодиодов, излучающих в красном спектральном диапазоне (GaP, InP, AlP и их твердые растворы), и их физические свойства;
2) Особенности конструкции активной области красных светодиодов.
При выполнении практических заданий слушатели должны особенное внимание уделить правильному выполнению следующих действий:
1) Ручное задание оптически активных слоев;
2) Задание плотности дислокаций в слоях структуры;
3) Расчет волновых функций электронов и дырок, локализованных в квантовых ямах и сверхрешетках;
4) Расчет и визуализация вольт-амперной характеристики структуры;
5) Расчет и визуализация спектров излучения;
6) Особенности моделирования слоев, содержащих непрямозонные полупроводниковые соединения.
Для получения более полной информации по теме рекомендуется использовать литературу, указанную в программе учебной дисциплины, в том числе:
1) Светодиоды, Физматлит 2008
2) G. Held Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, Taylor and Francis Group 2008
3) Введение в теорию полупроводников, , М.: Лань, 2008.
Интернет-ресурсы:
База данных по полупроводниковым материалам: http://www. matprop. ru/
Тема 4. «Моделирование активной области полупроводникового лазера»
При изучении темы слушатель особое внимание должен уделить следующим вопросам:
1) Физические принципы работы полупроводниковых лазеров;
2) Особенности конструкции активной области и волноводных слоев полупроводникового лазера.
При выполнении практических заданий слушатели должны особенное внимание уделить правильному выполнению следующих действий:
1) Программирование дизайна гетероструктуры, используемой в активной области полупроводникового лазера на основе нитридов третьей группы;
2) Задание коэффициентов преломления активной области и волноводных слоев;
3) Ограничение носителей заряда и оптических мод в активной области;
4) Ввод параметров резонатора лазера;
5) Визуализация модовой структуры резонатора;
6) Построение диаграмм излучения лазера в дальнем поле.
Для получения более полной информации по теме рекомендуется использовать литературу, указанную в программе учебной дисциплины, в том числе:
1) Современные инжекционные лазеры, , СПб: Издательство СПбГПУ. 2009.
2) Полупроводниковые приборы, , . М.: Лань. 2009.
3) Х. Кейси и М. Паниш, Лазеры на гетероструктурах, М., Мир (1981)
Интернет-ресурсы:
Энциклопедия лазерной физики и технологии: http://www. /encyclopedia. html
