網頁: http://ykuo.ncue.edu.tw/~wthwth 半導體雷射模擬軟體 Lastip 簡介王尊信Tsun-Hsin Wang 國立彰化師範大學物理系博士生電子郵件:wthwth@mail.cgjh.tcc.edu.tw wthwth@ykuo.ncue.edu.tw 網頁: http://ykuo.ncue.edu.tw/~wthwth.

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半導體雷射模擬軟體 Lastip 簡介王尊信Tsun-Hsin Wang 國立彰化師範大學物理系博士生網頁:

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信
大綱背景主結構參數輸出偵錯結語參考文獻 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

背景-原廠縮寫: LASer Technology Integrated Program (雷射技術整合程式) 廠商: 加拿大的Crosslight Software 公司工作原理:建立模型=>輸入參數=>輸出結果小技巧:任何一個指令按右鍵，選wizard可出現即時說明 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

背景-PICS3D 縮寫: Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D 三維(3D)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能提供：雷射模式頻譜圖、主模式對次要模式壓制頻譜圖、分佈布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector，DBR)的反射率頻譜圖、波導光柵耦合係數…等多種電子與光學特性圖形 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

背景-APSYS APSYS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的所有半導體元件對象:有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode，OLED)、發光二極體、光偵測器、太陽能電池、電吸收調制器(EAM)、高電子移動率電晶體(HEMT)、異質接面雙極電晶體(HBT)、金氧半場效電晶體(MOSFET)、共振穿隧二極體(Resonant Tunneling Diode，RTD)、以及行波半導體光學放大器(Traveling Wave Semiconductor Optical Amplifier，TWSOA) …等。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

背景-副程式(Options) 1) 『Thermal Option』(適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)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分析尤其重要。　 2) 『Self-consistent MQW/Piezo Option』(適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理壓電效應(Piezoelectric Effect)等電場相關因素對光電及半導體元件特性的影響，此一程式對氮化物藍光半導體雷射、電-吸收調制器(EAM)、高電子移動率電晶體(HEMT)的模擬與分析尤其重要。　 3) 『VCSEL Option』(適用於PICS3D)可以支援面射型半導體雷射元件的模擬與分析，是PICS3D模擬軟體必備的附屬程式。　 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

背景-副程式(Options) 4) 『3D Flow Option』(適用於PICS3D)允許電流在立體空間的各個方向都可以流動(基本型的PICS3D不允許電流在Z軸方向流動)，因此可以進一步提昇PICS3D模擬分析的準確性。　 5) 『Complex MQW Option』(適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)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稱井障(Barrier)等特殊情形，此一程式對半導體雷射的模擬與分析尤其重要。　 6) 『LED Option』(適用於APSYS)可以支援發光二極體元件的模擬與分析，是APSYS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 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

背景-可以模擬的半導體元件[1] 雷射二極體（FP、 DFB、 Gain-Coupled DFB、DBR、 MEDFB）半導體光放大器（SOA）發光二極體（LED） 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

內建參數-.mac檔內建參數: .mac 檔 (macro，巨集) crosslight.mac 與 more.mac 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) 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) 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；第三種是與溫度有關的參數。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

主結構-四個步驟[2] 步驟 1: 建立layer檔介面: 程式碼或圖形化 (GUI) Action-> Setup Device -> LayerBuilder c:\crosslig\GUI\LayerBuilder.exe 程式集-> Lastip-> LayerBuilder.exe 步驟 2: 處理layer檔 Action-> Setup Device-> Process layer 步驟 3: 產生mesh檔 Action->Setup Device-> Generate mesh 步驟 4: 開始模擬 Action-> Main Simulation-> Start Simulation 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

步驟1-建立layer原始四個檔案 .layer 檔:敘述材料的分層結構 .gain 檔:材料的增益 .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… .plt檔: (plot)要畫的圖形 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

*.layer~1 .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(如能帶結構圖) 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) Col A void void B B B S S Substrate 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

*.layer~2 layer d=0.0035 d的單位是微米(µm) n=8 n表示mesh的刻度 r=-1.3 r(ratio)的意義：每個mesh切割的比例類似等比級數的公比 r>1: 愈畫愈疏; r<1: 愈畫愈密 -1<r<0:(由下而上)密到疏，再到密; r<-1:(由下而上)疏到密，再到疏 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

*.gain 預先觀看活性層材料的自發放射及增益頻譜等，檢查活性層條件是否符合設計的波長先預估發光波長，若偏很多表示Eg或bowing差太多 (較少用，不看也沒關係) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

*.sol 三大效應:電、光、熱(可以設與.mac檔不一樣的值) 考慮的效應、計算的方法、邊界條件、壓電效應、光場、熱效應… 設定求解的相關條件，如電流或電壓最大加至多少、元件損失、求解方法的選擇，求解條件的設定等。(與收斂性有關) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數-整合光電熱 Eg(x,T), n(x,T,), B(x), C(x), m*(x), SRH(T), …… 光電 m(doping, T,….), junction(),…… 熱 (T, doping) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

光 wave_boundary point_ll=[ 0 3] && 光場限制在活性區 init_wave length= 550 元件的厚度 backg_loss=3500 && 內部損失 boundary_type=[ ] [x1 x2 y1 y2]:[左右下上] 1表示不對稱 2表示對稱 init_wavel= .40 給定波長初值 mirror_ref=0.50 && 前後共振腔反射率 wavel_range=[ ] photon_fac =1e6 波長變化範圍:用來檢查*.log檔中的Lambda(um)= 0.42 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

電 N化物先設定邊界極化電荷 fix_charge 再設定電子與電洞的生命週期(lifetime_n與lifetime_p) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

熱設定初始溫度temperature 設定熱流模式heat flow 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

I-V圖 scan var=voltage_1 先由電壓逼近導通電壓因為此時電流變化小，如果電壓變的太快會收斂困難 value_to=-3.1 大約是Eg的90% 如果遇到收斂困難，可由.log檔讀到對應電流0.1 或0.2的scan voltage改善 print_step=3.1 && 前面不儲存(因為數值太小，沒意義) init_step=1e-2 初階0.01開始試 min_step=1e-9 不能收斂的再縮小，最小到 max_step=1 若能收斂的再放大，最大到1 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

I-V圖~2 scan var=current_1 再由電流看電壓因為此時電壓變化小，如果電流變化太快會收斂困難 value_to=300 print_step=10 && 每10格儲存一次 init_step=0.01 min_step=1e-4 這部分和掃描電壓原理相同 max_step=10 不能超過print_step 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數表 Parameter d (m) Ndop(1/m3) y (m) nm  (W/m/K) GaN (contact) 0.03 p-21025 4.29 2.54 130 Al0.07Ga0.93N (cladding) 0.5 p-31024 4.26 2.48 20 GaN (waveguide) 0.1 p-71023 3.76 Al0.2Ga0.8N (stopper) 0.02 3.66 2.23 80 In0.02Ga0.98N (barrier) 0.01 i 3.64 2.61 In0.15Ga0.85N (well) 0.005 3.63 3 3.625 3.615 3.61 n-71023 3.6 n-31024 3.5 GaN (substrate) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數-對應方程式[3] 方程式 =>參數泊松(Poisson)方程式=>V, n, p 連續方程式 => 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, g V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 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數-泊松方程式[4] ∇2V = −ρ /ε ，ρ 為自由電荷的體電荷密度，ε 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： 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數-泊松方程式（a）∇V 為電場。（b）εdc 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）δj 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) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數-電荷連續方程式 ∇J + ∂ρ/ ∂ 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： 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數-電荷連續方程式（a）電子的電流密度Jn = n×μn×∇Efn（其中μn 為電子的mobility，Efn 為電子的Fermi-level），而電洞的電流密度Jp = n×μp×∇Efp 。（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，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) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數-光子速率方程式 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數-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，ε為介電常數，β為real eigenvalue 實數本徵值。（c） ng 為材料的折射率，gm 為增益模式(model gain)，αint 為初始的損失(loss)，αem 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。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參數-光增益模型（a）τ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。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

輸出[1] L-I: 輸出能量與電流之關係 I-V: 電流與電壓之關係 E-V: 不同電壓下之能帶結構二維的電位、電場與電流分佈二維的電子與電洞濃度分佈價電帶混合模式下之量子井次能帶結構二維的深層能階所捕獲載子之分佈二維的光場分佈二維的區域性光增益分佈不同電流輸入下之增益頻譜不同電流輸入下之自發輻射頻譜遠場分佈上述所有資料隨時間之變化上述所有資料在不同溫度下之變化 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

*.plt 要畫的圖形，以圖形或資料點輸出求解之結果，設定所要觀看的結果之幾何條件，偏壓條件、電流條件與範圍等要用plot_1d或plot_2d看研究題目而定 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

*.plt～2 plot_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 get_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 plot_scan scan_var=voltage_1 scale_curr=1 variable=total_curr_1 && data_file=I-V.txt 把結果放在I-V.txt檔中 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

步驟2-處理layer產生四個檔案 .doping 檔: 摻雜狀況 .geo 檔:描述元件的幾何結構 .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) .mplt檔:將元件分成許多細小的網格，畫出mesh 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

步驟3-產生mesh檔[4] 注意：每次跑一定要先process layer與generate mesh ，不可直接start simulation 此時習慣把output window拉大一邊檢查：能帶光場是否在活性區(active layer)而非基底(substrate) 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) 也可以用Action->Setup device->View mesh檢查看看最密的應該在active layer 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

步驟4-開始模擬 *.log: 所有輸出的訊息 *.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 ~*.std_032 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

偵錯[2] 若在.sol檔中的波長範圍設定為wavel_range=[ ] 但波長維持在0.43um Lambda(um)= 波長沒變化，表示有問題了! 超過某電流才會lasing，所以之前的波長不太有變化檢查lasing gain>1 (若gain是負幾百，表示已經接近臨界電流了) 量子井愈多，跑愈慢 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

收斂困難? 檢查init_current 檢查init_voltage 檢查mesh是否太疏量子井活性區設定有無錯誤檢查Nitride band offset ratio=7/3 檢查光場是否在active layer:wave_intensity 有些材料要和實驗公認值比較 Nitride: SRH缺陷明顯，極化現象，Auger再結合 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

結語先使用example的例子練習並熟悉軟體由例子的說明熟悉不同效應所需加入之指令模擬實驗結構時，可直接由example之檔案修改即可 Macro file所使用之參數盡量使用實驗值另外有example會把well與barrier放在外面，當成副程式，再用include呼叫此種寫法不必每次修改，也符合結構化的理論，可以使主程式更簡潔(但寫法其實相同) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

參考文獻 [1] LASTIP User’s Manual Version, 2005, 2nd Edition, Crosslight Software Inc. [2]顏勝宏，｢三五族氮化物能帶結構與藍紫光氮化銦鎵雷射特性之研究｣，國立彰化師大，碩士論文，民國93年。 [3]張誌原，｢氮化銦鎵量子井雷射之電子溢流現象與電洞不均勻性探討｣，國立彰化師大，碩士論文，民國91 年。 [4]蔡孟倫，｢DVD用650 nm 磷化鋁鎵銦雷射二極體的設計與分析｣，國立彰化師大，碩士論文，民國93年。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

國內其它研究群組國立彰化師大電子系林得裕教授團隊光電所黃滿芳教授團隊國立交通大學光電工程學系盧廷昌教授團隊 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

感謝您的耐心聽講!! 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

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