KFUPM ePrints

A Coupled Electronic-Optical Simulation Model of GaN-Based LEDs

l A Coupled Electronic-Optical Simulation Model of GaN-Based LEDs. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (M.S Thesis by Mohammed Zia Ullah Khan, April 2014)
Restricted to Abstract Only until 06 May 2015.

3994Kb

Arabic Abstract

انتشرت تقنية الاضاءة المعتمدة على اشباه الموصلات ذات الانبعاث الضوئي خاصة تلك التي تستخدم مواد نيتريدات عناصر المجموعة الثالثة (النيتريد-3)، حيث تعتبر الآن مصدرا موثوقا للاضاءة لما لها من ميزات فريدة مثل توفير الطاقة و طول العمر الافتراضي. غير أن هناك حاجة ملحة لدراسة أداء هذه الصمامات الضوئية عن طريق المحاكاة و النمذجة باستخدام الطرق العددية من أجل فهم المبادئ الفيزيائية لها وتطوير أدائها وكفاءتها. في هذه الأطروحة، نعرض نموذجا لعمل هذه الصمامات يعتمد على ربط حركة ناقلات الشحنة بالانبعاثات الضوئية في اطار واحد مترابط في المجال الزمني، الامر الذي لم يتطرق إليه قبل الآن. وتمت محاكات حركة ناقلات الشحنة باستخدام معادلات الانتشار و الازاحة، في حين تمت محاكاة انبعاث الضوء وانتشار الموجات الضوئية باستخدام معادلات ماكسويل. و لربط النموذجين تم اعداد طريقة جديدة للربط تعتمد على تعيين انبعاثات ضوئية قطبية ذات شدة معتمدة على معاملات التلاحم المضيء بين الالكترونات و الثقوب. و يتم تعيير هذه الشدة بالقياسات المعملية. ولقد تم استخدام هذا النموذج المترابط في دراسة الكفاءة الضوئية لمجموعة من التركيبات للصمامات الضوئية المعتمدة على مادة نيتريد الجاليوم بما في ذلك تركيبات p-nو p-i-n و P-n-N و P-p-N. تم تطبيق النموذج المترابط في دراسة حالتين لتركيبين جديدين يظهران الحاجة الى هذا النموذج: الاولى يكون فيها طبقة التوصيل الكهربائي ذات منافذ سطحية و الثانية تحتوي على تركيبP-n-N متكرر. واظهرت النتائج زيادة في الكفاءة الضوئية. ومن المتوقع أن يجد هذا النموذج مجالا واسعا في تحليل اداء التركيبات التي تكون فيها التأثيرات المزدوجة بين الموجة الضوئية وناقلات الشحنة موضع اهتمام.

English Abstract

Solid State Lighting (SSL) technologies that utilize Light Emitting Diodes (LEDs) made from III-Nitride materials have emerged as an energy-efficient and reliable source of lighting because of unique III-Nitride material properties. Numerical modeling and simulation of such LEDs is needed to understand various physical mechanisms to enhance the performance and development of new III-Nitride devices. In this thesis, we present a coupled carrier-photon model that accounts for the time-domain interactions between carrier transport and light emission in Gallium Nitride (GaN)-based LEDs that hasn’t been reported so far. Carrier transport is modeled using the drift-diffusion formulation, whereas light emission and propagation is modeled using Maxwell’s equations. The drift diffusion equation is solved self-consistently with Poisson equation. The carrier transport and photon emission are coupled by formulating an appropriate relation between radiative recombinations and dipole sources such that the strength of the dipole sources is given by the radiative recombination rates gauged to an appropriate value. This gauging factor is obtained by calibrating the External Quantum Efficiency (EQE) of homojunction GaN LED with the experimental value. The coupled model is used to investigate homojunction and heterojunction AlGaN/ GaN LEDs. The maximum EQE of p-n and p-i-n homojunction LEDs is found to be 0.1755 % and 0.39 % respectively at a forward voltage of 4.267 V, whereas the AlGaN/GaN DH LED demonstrated an EQE of 1.03 % at a forward voltage of 4.101 V. Utilizing this coupled model, GaN LEDs with improved recombination rates and optical power were investigated through Double Heterojunction (DH) and Multiple Heterojunction (MH) LEDs with array of metal contacts instead of single contact. The maximum EQE achieved for DH and MH LEDs with silver contact array is found to be 1.825 % and 5.295 % respectively. It is expected that this model will find applications in many device simulation cases where carrier-wave interaction is important.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Engineering
Electrical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Electrical Engineering Dept
Committee Advisor:Al-Sunaidi, Mohammad
Committee Members:Al-Jamid, Hussain and Sharawi, Mohammad
ID Code:139186
Deposited By:KHAN MOHAMMED ZIA ULLAH (g201104190)
Deposited On:22 May 2014 13:50
Last Modified:22 May 2014 13:50

Repository Staff Only: item control page