SiLENSe (Simulator for Light Emitter based on Nitride Semiconductor) - LEDバンドギャップエンジニアリングソフトウエアツール ウェブ更新履歴 ・2011年 : SiLENSe Version 5.0 & SiLENSe Laser Edition 新機能のご紹介 ・2010年 : SiLENSe Version 4.4 & SiLENSe Laser Edition 新機能のご紹介 ・2010年 : SiLENSe Version 4.2 & SiLENSe Laser Edition 新機能のご紹介 ・2009年 : SiLENSe Version 4.1新機能のご紹介 ・2008年 : SiLENSe Version 4.0新機能のご紹介 ・2008年 : SimuLED新機能のご紹介

コード概要 SiLENSeはLED素子のバンド構造、特性モデリングツールです。LEDヘテロ構造を実験にて最適化するには通常多くの労力と時間を要します．LED動作のモデリング、LED主要特性の予測は実験を強力に支援します．SiLENSeは広バンド巾ウルツ鉱構造LED素子の性能を左右する複雑な物理現象を解析します。さらにバンドギャップエンジニアリングにおいて重要な傾斜組成へテロ構造のモデリングも可能です。本コードは以下のLEDへテロ構造特性を計算します。

バイアス値依存のバンド構造 電子・空孔濃度分布 電場分布 輻射・非輻射性再結合率 電流-電圧（I-V）特性 電流密度依存の内部発光効率 量子井戸内活性化領域中電子・空孔波動関数 発光・利得スペクトル 導波路TE、TMモード* 閾値電流、出力パワー* *レーザーエディションのみ これらの情報はLED素子の最適化、及び新発光素子の開発に大変役立ちます。

Fig. 1. 多重量子井戸LEDのバイアス依存のバンド構造	Fig. 2. 電子・空孔の波動関数(バイアス値 Ub = 3.4V)

LED動作は窒化物半導体特有の性質、即ち強ピエゾ効果、自発電気分極、低アクセプタ活性、高貫通転位密度（107 - 109 cm-2）を有すヘテロ構造中のキャリア１Dドリフト・拡散輸送としてモデル化されます．SiLENSEでは輻射性電子・空孔再結合共に、貫通転位コア上の非輻射性キャリア再結合が考慮されます．後者は輻射性・非輻射性再結合チャネル間の相互作用を解析し、貫通転位濃度依存のLED内部輻射効率を計算します。

単一・多重量子井戸活性化領域の発光スペクトルは、8x8 Kane ハミルトニアンを用い、ウルツ鉱構造半導体の荷電子帯構造を考慮して計算されます。 キャリアの局所的エネルギー、及び波動関数は有効質量近似によるSchredinger方程式の数値解法により得られます。 量子井戸内のグリッド生成はSiLENSe内で自動的に行われます。

• 窒化物半導体中の自発的、及びピエゾ分極にて誘起されるLED内の分極電荷は厳密に考慮されます。
• 縮退性、非縮退性半導体の電子・空孔にはFermi統計が適用されます。
• 擬Fermiレベルの位置に依存したドナー、アクセプタのイオン化率が計算されます。
• LED構造の歪はバッファ層上全てのエピ層の一様成長を仮定して計算され、使用者は各層の部分的歪緩和を指定する事ができます。
• 輻射性電子・空孔再結合は量子閉じ込め効果を無視して計算されます。
• 貫通転位コア、点欠陥上の非輻射性再結合、Auger再結合が考慮されます。
• LED　I-V特性は素子中横方向電流分散、オーミック接触抵抗を考慮した直列抵抗から計算されます。
• 発光・利得スペクトルは計算されたバンド構造のポストプロセスとして、窒化物価電子帯、閉じ込め電子状態の寄与を考慮して計算されます。
• TE/TM導波モード中の電磁場分布はIII族窒化物の複屈折を考慮して計算されます。周波数依存の誘電率は全スペクトル範囲に対し計算されます。*
• 自由キャリア吸収による光学損失は電場分布、キャリア濃度から計算されます。*

  *レーザーエディションのみに有効です。

Fig. 4. 多重量子井戸LEDのバイアス値依存の電流密度

Fig. 5. 電流密度依存の発光効率．丸印は外部効率を示します。内部効率に及ぼす転位密度の影響も示しています。

SiLENSeは材料物性設定モジュールを付随します。標準データベースにはAlInGaN, ZnMgO合金物性が内蔵されています。使用者はデータベースの変更、材料の追加が可能です。

シミュレーション例

以下にn-GaNコンタクト層(Nd=3x1018cm-3)、20％-InGaN SQW活性化領域(厚さ3.5nm)、p型10%-AlGaNエミッタ(Na=7x1019cm-3)、p-GaNコンタクト層（Na=7x1019cm-3）青色SQW LEDシミュレーション結果を示します。

Fig. 3(a-d). バイアス値依存のバンド構造、キャリア濃度、SQW部分のバンド構造、波動関数、及び発光スペクトル

その他の計算例に関しては、こちらExamples of Simulationsからダウンロードして下さい。

SiLENSeにはシミュレーションに必要な使用者の労力の最小化を目指したグラフィカルユーザインターフェース(GUI)があります．LED動作のシミュレーション結果が会話形式で可視化されます．計算結果はTecplot グラフィックパッケージ等のポスト処理ソフトウエアで読込可能な出力ファイルに保存できます。

システム構成

• OS - Windows 2000 Professional, Windows XP
• RAM- 512Mb
• ハードディスク-10Mb SiLENSe用, 100Mb 計算結果保存用
• 1024 x 768解像度ディスプレイ

• K.A. Bulashevich, I.Yu. Evstratov, S.Yu. Karpov
  Hybrid ZnO/III-nitride light-emitting diodes: modelling analysis of operation
  phys. stat. solidi (a) 204, 241-245 (2007) .
• K.A. Bulashevich, V.F. Mymrin, S.Yu. Karpov, I.A. Zhmakin, A.I. Zhmakin
  Simulation of visible and ultra-violet group-III nitride light emitting diodes
  J. Comput. Phys. 213, 214-238 (2006)
• V.F. Mymrin, K.A. Bulashevich, N.I. Podolskaya, S.Yu. Karpov
  Bandgap engineering of electronic and optoelectronic devices on native AlN and GaN substrates: a modelling insight
  J. Cryst. Growth 281, 115-124 (2005)
• V.F. Mymrin, K.A. Bulashevich, N.I. Podolskaya, I.A. Zhmakin, S.Yu. Karpov, and Yu.N. Makarov
  Modelling study of MQW LED operation
  phys. stat. sol. (c) 2, 2928-2931 (2005).

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