本实验教学项目采用- -种成熟的器件与工艺TCAD仿真工具Silvaco搭建一个虚拟的半导体制造工厂，对GaNLED光电特性进行虚拟仿真实验，作为真实实验的有效补充，以激发学生的创新思维与学习兴趣，增强学生对器件工艺原理和工作机理的理解、吸收和拓展，并增强学生的虚拟仿真实践动手能力，为高水平、高素质、强能力的集成电路人才培养奠定.--定的基础。

其中，h是普朗克常数，c为光速。然而，这种传统结构的LED发光效率极低，发出的光子容易被价带的电子吸收，所以无法做成实用的LED器件。

为了显著提高器件的发光效率，本实验项目基于自主科研成果，采用了单量子阱的GaN LED器件结构，该单量子阱材料可以为AlGaN、InGaN 等，通过改变单量子阱材料中的Al组分、In组分等，可以调制器件中单量子阱材料的禁带宽度，从而可以实现发射不同波段光的GaN LED。为了进一步说明单量子阱GaN LED的发光原理，图2给出了采用AlGaN单量子阱材料的GaNLED结构。该器件结构自下而上包括，c面蓝宝石衬底、非故意掺杂AlGa.xN缓冲层、N型Al,Ga1xN层、非故意掺杂Al,Ga1yN量子阱层、P型AlL,Ga12N层、P型GaN层，器件中采用了刻蚀形成的台面结构，在下台面N型Al,Ga1xN层上制作有Cr/Ni/Au金属阴极，在上台面P型GaN层上制作有Cr/Ni/Au金属阳极。

2.工作原理.
    图3给出了对应图2中AlGaN单量子阱GaNLED器件在正向偏压下的能带结构,.结合图2和图3可见，由于P型Al,Ga1zN层和N型Al,Ga1-N层中的Al组分均大于非故意掺杂Al,Ga1yN量子阱层中的Al组分，而Al组分越大则材料禁带宽度越大，因此由N型Al,Ga1xN层、非故意掺杂AlyGa1yN量子阱层、P型AL,Ga1zN层实际上构成了一个双异质结结构，该双异质结结构的中间层，即非故意掺杂Al,GaryN量子阱层的禁带宽度最小，而两端材料的禁带宽度大，所以会在能带中形成一个类似阱的形状，且当单量子阱材料的厚度只有几个纳米的时候，便会形成量子化能级，如图3所示。当外加一定的正向电压时，n型区的电子进入阱中后，由于电子势垒的阻挡作.用，电子会被限制在阱内;同理，p区的空穴进入阱中后，由于存在着空穴势垒，空穴也会被限制在阱内。此时被限制在阱内的电子空穴发生辐射复合，释放出光子。单量子阱GaNLED器件结构能有效提升辐射复合的概率,增强LED的发光效率。此外，根据公式(1)，单量子阱GaN LED可发出光波的波长由单量子阱材料的禁带宽度Eg2决定。

    在进行实验时，学生可以根据需要设置器件的结构和材料参数，同时也可以改变器件的阳极和阴极偏置电压，在保持其他参数不变情况下，改变其中一个参数，分析AlGaN单量子阱GaN LED器件的光电特性和规律。此外，在进行仿真时，要保证非故意掺杂AIl,Ga1-yN 量子阱层的Al组分小于非故意掺杂AI,Ga-xN缓冲层和P型Al2Ga-N层中的Al组分，以便形成量子阱。

1.课堂精讲核心知识

    本实验项目基于Silvaco TCAD商用仿真软件进行，主要涉及氮化镓发光二极管的虚拟工艺实现和器件特性仿真两部分。对于器件虚拟工艺实现部分，重点讲解虚拟仿真程序的框架结构和工艺语句描述方法。框架结构语句包括，仿真初始化命令、定义用户网格、衬底参数描述、仿真过程的可视化和图形刷新命令、定义电极位置及初始电压、保存文件命令、仿真结束语句等。对于器件特性仿真部分，仿真程序需要满.足一定规则，仿真程序通常由六段构成，分别为，定义输入输出文件、定义电极、定义物理模型、储存计算变量、定义数学算法以及方程求解。通过课堂精讲核心知识,使学生可以准确把握虚拟仿真要点，加深学生对虚拟仿真程序的理解，为后续学生的独立虚拟仿真实验奠定了基础。

2.虚拟仿真实验案例讲授
    本实验项目中的氮化镓发光二极管可以采用AlGaN、InGaN 等作为单量子阱材料，学生可以根据需要的光波波长选择相应的量子阱材料。在授课过程中，为了便于讲解，本实验项目教学中采用虛拟仿真实验案例讲授的教学方法，以采用AlGaN单量子阱的GaNLED器件作为典型虛拟仿真实验案例进行重点讲授。由于AIGaN单量子阱GaNLED器件的结构参数和材料参数众多，仿真程序中涉及的语句和规则较多,为了将仿真流程讲解透彻，使学生容易上手，以具有不同Al组分非故意掺杂Al,GaryN量子阱层的GaN LED的虚拟工艺实现和器件特性仿真为典型实验，进行了详细且具体的仿真实验演示。具体过程为:
    (1)器件虚拟工艺实现部分。调用Silvaco虚拟工艺模块Athena,重点介绍器件虚拟工艺实现所涉及的MOCVD(金属有机物化学气相淀积)设备、RIE(反 应离子刻蚀)设备等主要虚拟设备和工艺技术的语法构成和使用规则等。接下来按照AlGaN单量子阱GaNLED的器件结构，采用MOCVD虚拟设备在c面蓝宝石衬底上依次外延非故意掺杂AlxGa-xN缓冲层、N型Al.Ga-xN层、非故意掺杂AlyGarsN量子阱层、P型Al.Ga1.2N层、P型GaN层，各外延层均采用原位掺杂实现均匀掺杂浓度;然后采用RIE虚拟设备刻蚀形成台面结构,最后在下台面和.上台面分别制作Cr/Ni/Au金属阴极和Cr/Ni/Au金属阳极，完成整个器件的制作。在外延非故意掺杂Al,Ga.-yN 量子阱层时，设置Al组分分别为0.3、0.4和0.5三种不同情况，从而获得三种器件结构样品。.

    (2)器件特性仿真部分。调用Silvaco器件特性仿真模块Atlas,针对器件虚拟工艺实现部分所获得的三种AIGaN单量子阱GaNLED器件，重点介绍器件特性仿真部分的程序组成结构。首先调用采用虚拟工艺所实现的三种AlGaN单量子阱GaN LED器件结构，接着依次定义氮化镓基异质结的极化效应模型，定义材料模型参数，定义器件数值仿真所采用的k.p能带参数模型、Fermi-Dirac统计分布模型、浓度依赖SRH模型、auger 模型、带带复合模型，定义Caughey Thomas载流子迁移率模型、高场迁移率模型等。在数学模块中，定义器件仿真时用到的算法，包括仿真器类型、仿真误差标准控制、迭代次数的设置等。在求解模块中，定义求解所使用的泊松方程，电流连续性方程，以及扫描步长的设置和目标电极电压的设定等。最后仿真获得器件的开态电流-电压特性(I-V特性)、电流输出功率(-L特性)、电致发光谱特性(EL谱特性),仿真结果可通过TonyPlot看图软件直观地看到。通过将具有不同Al组分非故意掺杂Al,Ga.-yN量子阱层的三种GaN LED器件的光电特性的综合对比研究，可以分析Al组分对器件光电特性的影响和规律，最后利用仿真得到能带结构图、载流子浓度分布图、载流子复合率分布图等剖析Al组分影响器件光电特性的物理机制，利用Origin专业数据处理软件对仿真结果进行处理，形成实验报告。

3.课后在线虚拟实践模块
    建立了氮化镓发光二极管虚拟实验相关的在线学习虚拟实践平台，该平台为学生的课后学习提供了内容丰富、形式多样的学习素材，涉及典型虚拟仿真实验、工艺动画演示、重点知识讲解教师授课教学视频、国内外先进工艺视频等，利用虚拟仿真实
验案例讲授和课后在线虚拟实践模块激发了学生的学习热情，使学生能够多方位、更容易、更深入、更直观地学习、理解氮化镓发光二极管的制造工艺原理和工作机理，有力地提升了教学质量。

    本项目实验程序主要由虚拟工艺和器件特性仿真两部分组成，虚拟工艺部分用于实现AlGaN单量子阱GaNLED器件结构，器件特性仿真部分用于进行器件光电特性仿真分析。图5给出了AIGaN单量子阱GaN LED的虚拟工艺实现步骤，具体虛拟工艺步骤及器件结构和材料参数如下:
步骤1:在c面蓝宝石衬底上，采用MOCVD外延厚度为hu (1μmsh≤4um)、 Al组分为x (0.2 步骤2:在Al,Ga-xN缓冲层上外延厚度为h2 (0.2μmsh2≤1μm)、掺杂浓度为Ni(5x 10l7cm-3ζNi≤1x10'9cm-3)、Al组分x与AlxGa-xN缓冲层相同的N型Al,Ga.xN层;
步骤3:在N型Al,Ga-xN层上外延厚度为h;(2nmSh;≤10nm)、Al组分为y(0.1≤ys0.6)的非故意掺杂AlyGa.-yN量子阱层;
步骤4:在Al,Gar-yN量子阱层上外延厚度为h4 ( 5nmSh4≤50nm)、Al组分为z(0.3≤z<0.8)、掺杂浓度为N2 (5x 10l6cm3 步骤5:在P型Al2Ga-N层上外延厚度为hs (20nmshs<200nm)、掺杂浓度为N;(1x 10l7cm-3≤N;≤1x1029cm-3)的P型GaN层;
步骤6:采用干法刻蚀工艺，在所制备的外延层上进行干法刻蚀，制作台面结构，下台面位置应低于非故意掺杂Al,Ga-N量子阱层与N型AlxGa-xN层的异质界面;

步骤7:在下台面N型Al,Ga1.xN层上制作Cr/Ni/Au金属阴极; .
步骤8:在上台面P型GaN层上制作Cr/Ni/Au金属阳极，完成整个AlGaN单量子阱GaNLED器件的制作。在获得AlGaN单量子阱GaN LED器件样品后，进行器件光电特性仿真，利用TonyPlot看图软件分析器件的I-V特性、I-L特性、EL谱特性的特点和规律，并利用TonyPlot看图软件给出各器件样品中的能带结构图、载流子浓度分布图、载流子复合率分布图等，剖析Al组分影响器件光电特性的物理机制，最后利用Origin专业数据处理软件对仿真结果进行处理，形成实验报告。

2.实验方法与步骤.
    在氮化镓发光二极管的虚拟仿真中，学生可以根据需要设置器件的结构和材料参数，同时也可以改变器件的阳极和阴极偏置电压，在保持其他参数不变情况下，改变其中一个参数，分析器件的光电特性和规律。这里针对本实验教学项目中AlGaN单量子阱GaNLED器件典型虚拟仿真实验案例重点说明具体实验方法和步骤，实验中通过改变非故意掺杂AlyGa1yN量子阱层的Al组分,获得不同器件样品,分析Al,Ga-yN量子阱层Al组分对器件光电特性影响和规律。

(1)AIGaN单量子阱GaN LED器件的虚拟工艺实现过程
①非故意掺杂AI,Ga-yN量子阱层的AI组分y取0.3时器件的虚拟工艺实现过程。
步骤1:在c面蓝宝石衬底上，采用MOCVD外延厚度h1=2μm、Al组分x=0.4的非故意掺杂Al.Ga-xN缓冲层;
步骤2:在Al,Ga-xN缓冲层上外延厚度h2=0.53μm、掺杂浓度Ni=1x10l8cm3、Al组分x=0.4的N型Al,Ga-xN层;
步骤3:在N型Al,Ga1xN层上外延厚度h;=3nm、Al 组分y=0.3的非故意掺杂Al,Ga-yN量子阱层;
步骤4:在Al,Ga-yN量子阱层.上外延厚度h4=10nm、Al组分z=0.5、掺杂浓度N2=1x1020cm-3的P型Al2Ga-zN层;
步骤5:在P型Al2Ga1-zN层上外延厚度hs-80nm、掺杂浓度N3=1x1029cm-3的P型GaN层;
步骤6:采用干法刻蚀工艺，在所制备的外延层上进行干法刻蚀，制作台面结构，下台面位置应低于非故意掺杂Al,GaryN量子阱层与N型AlrGa1-xN层的异质界面;

步骤7:在下台面N型Al,Ga-xN层上制作Cr/Ni/Au金属阴极;
步骤8:在上台面P型GaN层上制作Cr/Ni/Au金属阳极，完成量子阱层A1组分取0.3的AlGaN单量子阱GaNLED器件的制作。

②非故意掺杂Al,GaryN量子阱层的AI组分y取0.4时器件的虚拟工艺实现过程。
步骤1:在c面蓝宝石衬底上，采用MOCVD外延厚度h=2um、Al组分x=0.5的非故意掺杂Al,Ga-xN缓冲层;
步骤2:在Al,Ga-xN缓冲层上外延厚度h2= =0.53μum、掺杂浓度Ni=1x10l&cm~3、Al组分x=0.5的N型AlxGa-xN层;
步骤3:在N型AlxGa-xN层上外延厚度h;=3nm、Al 组分y=0.4的非故意掺杂Al,Ga.-yN量子阱层;
步骤4:在AlyGa1-yN量子阱层上外延厚度h4=10nm、Al组分z =0.6、掺杂浓度N2=1x1020cm3的P型Al,Ga.2N层;
步骤5:在P型Al,Ga1-2N层上外延厚度hs=-80nm、掺杂浓度N=1x 1020cm-3的P型GaN层;
步骤6:采用干法刻蚀工艺，在所制备的外延层上进行干法刻蚀，制作台面结构，下台面位置应低于非故意掺杂Al,Ga-yN量子阱层与N型AlxGa-xN层的异质界面;
步骤7:在下台面N型Al,Ga-xN层上制作Cr/Ni/Au金属阴极;

步骤8:在上台面P型GaN层上制作Cr/Ni/Au金属阳极，完成量子阱层A1组分取0.4的AlGaN单量子阱GaNLED器件的制作。

    氮化镓发光二极管的结构和材料参数很多，在虚拟仿真中，学生可以根据需要设置器件的结构和材料参数，可保持其他参数不变而仅改变其中一一个参数，分析器件的光电特性和规律，并利用Origin专业数据处理软件对仿真结果进行处理。以下给出.AlGaN单量子阱GaNLED器件典型虛拟仿真实验案例中,改变Al,Ga1-yN量子阱层的22Al组分影响器件光电特性的结果和结论。

    图6给出了仿真得到的Al,Ga-y)N量子阱层Al组分为0.3时的器件样品结构。图7~9分别给出了仿真得到的GaN LED器件的1I-V特性、1IL 特征和EL特性，图10~12分别为对应图7~9中器件的能带图、载流子复合率图和载流子密度分布图。图13给.出了Al组分为0.3时AIGaN单量子阱GaNLED器件中的电流密度分布情况。仿真中，N型Al,Ga-xN层的A1组分x，非故意掺杂AlyGa-yN量子阱层的Al组分y，P型Al2Ga12N层的A1组分z，满足关系z-y=0.2， 且x-y=0.1。

    由图7可见，随着量子阱层Al组分的增加，器件开启电压逐渐增加，且同一偏.置下器件的输出电流减小。结合图10可知，AI组分的增加会导致非故意掺杂Al,Ga-yN量子阱层两侧材料的势垒增大，进而导致空穴注入量减小，器件内部电阻增加。因此，开启电压增大，同- -偏置下器件的输出电流变小。
    由图8可见，随着量子阱层Al组分的增加，同- -注入电流下器件的发光功率逐渐降低。结合图10~12可知，Al 组分的增加会使正向偏置下Al,Ga.-yN量子阱中电子和空穴的辐射复合窄下降，引起AlyGa.yN量子阱中的电子和空穴浓度均增加，因此有效参与辐射复合的电子和空穴数量减少，器件的发光功率减小。
    图9可见，虽然各器件中量子阱层Al组分不同，但器件所发出的光均属于紫外波段。随着量子阱层Al组分的增加，器件功率谱密度峰值逐渐向短波移动，且功率谱密度峰值强度也相应减弱，说明GaN LED的发光波长随着Al组分增加而减小。结合图10可知，随着量子阱中Al组分的增加，非故意掺杂Al,Ga-yN量子阱层的禁带宽度增大，根据公式(1)，器件发光波长相应减小。此外，结合图8可知，由于Al组分增加导致光功率减小，因此，器件功率谱密度峰值强度会随着Al组分增加而减小。
    由图13可见，LED中的电流密度分布出现了分布不均匀的问题，这主要是由于
器件存在台面结构，造成器件中载流子扩散运动异常所致。