半导体雷射模拟软体Lastip简介

1、王尊信王尊信Tsun-Hsin Wang國立彰化師範大學物理系博士生國立彰化師範大學物理系博士生電子郵件電子郵件:.tw .tw 網頁網頁: .tw/wthwth2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信2n背景背景n主結構主結構n參數參數n輸出輸出n偵錯偵錯n結語結語n參考文獻參考文獻2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信3背景背景-原廠原廠n縮寫: LASer Technology Integrated Program (

2、雷射技術整合程式)n廠商: 加拿大的Crosslight Software 公司 n工作原理:建立模型=輸入參數=輸出結果n小技巧:任何一個指令按右鍵，選，選wizard可出現即時說明可出現即時說明2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信4背景背景-PICS3D n縮寫縮寫: Photonic Integrated Circuit Simulator in 3Dn三維三維(3D)面射型半導體雷射元件與分佈回面射型半導體雷射元件與分佈回饋型半導體雷射元件模擬軟體饋型半導體雷射元件模擬軟體n能提供：雷射模式頻譜圖、主模式對次要能提供：雷射模式頻譜圖、主模式對次要模式壓制頻譜

3、圖、分佈布拉格反射鏡模式壓制頻譜圖、分佈布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector，DBR)的反的反射率頻譜圖、波導光柵耦合係數射率頻譜圖、波導光柵耦合係數等多種等多種電子與光學特性圖形電子與光學特性圖形2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信5背景背景-APSYS nAPSYS是一套通用的化合物半導體元件以及矽半是一套通用的化合物半導體元件以及矽半導體元件模擬軟體，主要應用於半導體雷射以外導體元件模擬軟體，主要應用於半導體雷射以外的所有半導體元件的所有半導體元件n對象對象:有機發光二極體有機發光二極體(Organic Light-Emitti

4、ng Diode，OLED)、發光二極體、光偵測器、太陽、發光二極體、光偵測器、太陽能電池、電吸收調制器能電池、電吸收調制器(EAM)、高電子移動率電、高電子移動率電晶體晶體(HEMT)、異質接面雙極電晶體、異質接面雙極電晶體(HBT)、金氧、金氧半場效電晶體半場效電晶體(MOSFET)、共振穿隧二極體、共振穿隧二極體(Resonant Tunneling Diode，RTD)、以及行波、以及行波半導體光學放大器半導體光學放大器(Traveling Wave Semiconductor Optical Amplifier，TWSOA) 等。等。2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡

5、介 / 王尊信6背景背景-副程式副程式(Options)1) Thermal Option(適用於適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理熱效應對光電及半導體元可以適當處理熱效應對光電及半導體元件特性的影響，此一程式對半導體雷射的模擬與件特性的影響，此一程式對半導體雷射的模擬與分析尤其重要。分析尤其重要。2) Self-consistent MQW/Piezo Option(適用適用於於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理壓可以適當處理壓電效應電效應(Piezoelectric Effect)等電場相關因素對等電場相關因素對光電及半導體元件特性的影響，此一程式

6、對氮光電及半導體元件特性的影響，此一程式對氮 化化物藍光半導體雷射、電物藍光半導體雷射、電-吸收調制器吸收調制器(EAM)、高電、高電子移動率電晶體子移動率電晶體(HEMT)的模擬與分析尤其重要。的模擬與分析尤其重要。3) VCSEL Option(適用於適用於PICS3D)可以支援面可以支援面射型半導體雷射元件的模擬與分析，是射型半導體雷射元件的模擬與分析，是PICS3D模模擬軟體必備的附屬程式。擬軟體必備的附屬程式。2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信7背景背景-副程式副程式(Options)4) 3D Flow Option(適用於適用於PICS3D)允許電流

7、在立體空允許電流在立體空間的各個方向都可以流動間的各個方向都可以流動(基本型的基本型的PICS3D不允許電流在不允許電流在Z軸方向流動軸方向流動)，因此可以進一步提昇，因此可以進一步提昇PICS3D模擬分析的模擬分析的準確性。準確性。5) Complex MQW Option(適用於適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理光電及半導體元件中，量子井可以適當處理光電及半導體元件中，量子井(Quantum Well)之間的交互作用，以及井中有井與不對之間的交互作用，以及井中有井與不對稱井障稱井障(Barrier)等特殊情形，此一程式對半導體雷射的模等特殊情形，此一程式對半導體雷射

8、的模擬與分析尤其重要。擬與分析尤其重要。6) LED Option(適用於適用於APSYS)可以支援發光二極體元可以支援發光二極體元件的模擬與分析，是件的模擬與分析，是APSYS模擬軟體必備的附屬程式。模擬軟體必備的附屬程式。7) OLED Option(有機發光二極體模擬程式有機發光二極體模擬程式2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信8背景背景-可以模擬的半導體元件可以模擬的半導體元件1n雷射二極體（FP、 DFB、 Gain-Coupled DFB、DBR、 MEDFB）n半導體光放大器（SOA）n發光二極體（LED）2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lasti

9、p簡介 / 王尊信9內建參數內建參數-.mac檔檔n內建參數: .mac 檔 (macro，巨集) crosslight.mac 與 more.macn活性層材料：以大寫字母表示，控制該活性層材料的發光強度、波長、增益等特性。(AlGaAs/AlGaAs、InGaN/InGaN等)n非活性層材料：以小寫字母表示，決定電性、熱特性與部份的光學特性。(gaas.temp、algaas.temp等)n依模擬的需求選擇適當的材料檔案，例如同樣表示GaAs材料的mac檔案就有：gaas、gaas_lambda、gaas.temp三種，第一種是描寫溫度固定在300K的參數；第二種是與波長有關的參數；第三種

10、是與溫度有關的參數。2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信10主結構主結構-四個步驟四個步驟2n步驟 1: 建立layer檔介面: 程式碼或圖形化 (GUI) Action- Setup Device - LayerBuilder c:crossligGUILayerBuilder.exe 程式集- Lastip- LayerBuilder.exen步驟 2: 處理layer檔 Action- Setup Device- Process layern步驟 3: 產生mesh檔 Action-Setup Device- Generate meshn步驟 4: 開始模擬

11、Action- Main Simulation- Start Simulation2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信11步驟步驟1-建立建立layer原始四個檔案原始四個檔案n.layer 檔:敘述材料的分層結構n.gain 檔:材料的增益 n.sol檔: (solution材料的解題方法)考慮的效應、計算的方法、邊界條件、壓電效應、光場、熱效應n.plt檔: (plot)要畫的圖形2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信12*.layer1n.layer 檔:設定好元件的每一層厚度、材料、電極、寬度及與幾何結構相關結果的精密度(如能帶結構

12、圖)n如果基底是不導電的物質，因為電極要接在旁邊，所以要設成兩欄(column)以上(若LED基底是GaAs則只需一欄)nCol 1 2 3n A void voidn B B Bn S S Substrate 2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信13*.layer2nlayer d=0.0035 d的單位是微米(m)nn=8 n表示mesh的刻度 nr=-1.3 r(ratio)的意義：每個mesh切割的比例 類似等比級數的公比 r1: 愈畫愈疏; r1: 愈畫愈密 -1r0:(由下而上)密到疏，再到密; r參數 泊松(Poisson)方程式=V, n, p 連續

13、方程式 = V, n, p, S, W, g 光子速率方程式 = n, p, S, W, g 複數波動方程式 = n, p, W, lambda, g 光增益模型 = n, p, lambda, gnV表電位、 n與p表電子與電洞濃度、 S表光子數目、W表光場強度、 lambda表波長、 g表增益 2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信24參數參數-泊松方程式泊松方程式4n2V = / ， 為自由電荷的體電荷密度， 為介質的介電常數。若將此方程式改用在半導體材料時，此方程式就必須改寫成下式來描述每個磊晶層的電位分佈：2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介

14、 / 王尊信25參數參數-泊松方程式泊松方程式（a）V 為電場。（b）dc 為相對介電常數。（c）n、p 為電子與電洞濃度。（d）ND(NA)為淺層donor(acceptor)摻雜的密度，fD(fA)為介面中donor(acceptor)淺層能階的佔有率。（此項會造成介面結合的電子濃度產生影響，NAfA 前面的負號為接收電子濃度產生）（e）j 為delta function 當作acceptor 時其值為0 當作donor 時其值為1，Ntj 為介面中第j 個深層能階的密度，ftj 為第j 個深層能階的佔有率。(此項和前兩項比較下其意義為相似)2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip

15、簡介 / 王尊信26參數參數-電荷連續方程式電荷連續方程式nJ + / t = 0 ；此為電荷連續方程式，又因為各磊晶層的電荷守恆，所以我們可以將此連續方程改寫成下式：2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信27參數參數-電荷連續方程式電荷連續方程式（a）電子的電流密度Jn = nnEfn（其中n 為電子的mobility，Efn 為電子的Fermi-level），而電洞的電流密度Jp = npEfp 。（b）Rntj 為通過邊界上第j 個能階時，每單位體積的電子結合律，而Rptj 為通過邊界上第j 個能階時，每單位體積的電洞結合律。(SRH)（c）Rsp 為自發輻射率

16、，Rst 為受激放射率。（d）Rau=(Cnn+Cpp)(np-ni2)；Cn 和Cp 均為常數取決於材料本身，ni 指純質的載子密度。(Auger recombination rate)2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信28參數參數-光子速率方程式光子速率方程式2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信29參數參數-光子速率方程式光子速率方程式（a） W 為光子的波函數|W|2 為每單位體積找到光子的機率。（b） k0 為波向量，為介電常數，為real eigenvalue 實數本徵值。（c） ng 為材料的折射率，gm 為增益模式(mod

17、el gain)，int 為初始的損失(loss)，em 為發射光子產生的損失，S 為光子數。（d） Cm 為小部份自發輻射的常數。2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信30參數參數-光增益模型光增益模型（a）為intra-band 的散射時間（b）L(Ex-Eij0)為Lorentzian shape function（c）gij 為第i 能階到第j 能階的local gain，Eij 為第i 能階到第j 能階的能差（d）gij 內有包含輕電洞和重電洞的TE 和TM 模式。 2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信31輸出輸出1nL-I: 輸

18、出能量與電流之關係nI-V: 電流與電壓之關係nE-V: 不同電壓下之能帶結構n二維的電位、電場與電流分佈n二維的電子與電洞濃度分佈n價電帶混合模式下之量子井次能帶結構n二維的深層能階所捕獲載子之分佈n二維的光場分佈n二維的區域性光增益分佈n不同電流輸入下之增益頻譜n不同電流輸入下之自發輻射頻譜n遠場分佈n上述所有資料隨時間之變化n上述所有資料在不同溫度下之變化2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信32*.pltn要畫的圖形，以圖形或資料點n輸出求解之結果，設定所要觀看的結果之幾何條件，偏壓條件、電流條件與範圍等n要用plot_1d或plot_2d看研究題目而定202

19、2/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信33*.plt2nplot_data plot_device=data_file 將結果輸出到檔案(txt檔，數字形式) 若改成plot_device=postscript則輸出圖檔nget_data main_input=s2.sol sol_inf=s2.out & xy_data=(22 22) scan_data=(1 32) 看第22個output的結果nplot_scan scan_var=voltage_1 scale_curr=1 variable=total_curr_1 & data_file=I-V

20、.txt 把結果放在I-V.txt檔中2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信34步驟步驟2-處理處理layer產生四個檔案產生四個檔案n.doping 檔: 摻雜狀況n.geo 檔:描述元件的幾何結構n.mater 檔:描述元件所有用到的材料與電極，並照順序給予編號(若layer中，有不同層但材料相同者，也算同一種材料)n.mplt檔:將元件分成許多細小的網格，畫出mesh2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信35步驟步驟3-產生產生mesh檔檔4n注意：每次跑一定要先process layer與generate mesh ，不可直接star

21、t simulationn此時習慣把output window拉大n一邊檢查：能帶光場是否在活性區(active layer)而非基底(substrate)n一邊檢查：隨著電流的增加，發光波長也會一直增加(形成lasing狀態的頻譜)n也可以用Action-Setup device-View mesh檢查看看最密的應該在active layer2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信36步驟步驟4-開始模擬開始模擬n*.log: 所有輸出的訊息n*.sol.msg描述所有的輸出檔案 *.out_001 *.out_032(數字看輸出檔案而定) 或*.std_001 *.

22、std_0322022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信37偵錯偵錯2n 若在.sol檔中的波長範圍設定為wavel_range=0.38 0.430 但波長維持在0.43um Lambda(um)= 0.43000000000 波長沒變化，表示有問題了!n超過某電流才會lasing，所以之前的波長不太有變化n檢查lasing gain1 (若gain是負幾百，表示已經接近臨界電流了)n量子井愈多，跑愈慢2022/4/11半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信38收斂困難收斂困難?n檢查init_currentn檢查init_voltagen檢查mesh是否太疏n量子井活性區設定