INTERMIXING EFFECTS ON EMISSION PROPERTIES OF QUANTUM DISK-IN-NANOWIRE (QD-NW) LED STRUCTURE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_-_Tri_Bagus_Susilo_-_g201207100.pdf Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

تستحوذ النبائط (الدايود) الباعثة للضوء ذات النطاق الضوئي الواسع على كثير من الاهتمام البحثي نظراً لاستخداماتها في مجالات عدة من أهمها الانارة. وللحصول على نطاق ضوئي واسع قابل للضبط تستخدم النبائط المحتوية على التشكيلات الكمومية ومن أهمها الأسلاك النانوية ذات القرص الكمومي (QD-NW). تتميز هذه التشكيلات بمزايا أهمها: القدرة على النمو الذاتي وخلوها من الخلل البنائي المتمدد. يمكن استخدام تقنية الاختلاط (intermixing) في هذه التشكيلات بالذات كطريقة فعالة وواعدة للتوصل الى ضبط وهندسة خواص النبائط الباعثة للضوء. الغرض الأساسي من هذه الرسالة هو تصميم نموذج محاكاة لعملية الاختلاط في تشكيلات QD-NW المبنية من مركب وخلائط نيترات الجاليوم GaN/InGaN ودراسة تأثير هذه العملية على خصائص الانبعاث الضوئي فيها. يعتمد هذا النموذج أساسيا على دمج ثلاثة مكونات في المجال الزمني (time domain) أولها معادلة فيك (Fick's law) لانتشار الذرات مع الاخذ باعتبار كون معامل الانتشار معتمدا على التركيز الموضعي للمادة المنتشرة ودرجة الحرارة. يؤخذ بعين الاعتبار أيضا الطبيعة القطبية لنيترات الجاليوم حيث تتكون مجالات قطبية ذاتية وأخرى إجهاديه عند المنطقة البينية للطبقات المختلفة تؤثر في سلوك نطاقات الطاقة داخل المواد. ولذلك تستخدم معادلة بوسون (Poisson) لإيجاد قوة وتوزيع هذه المجالات وهذا هو المكون الثاني. أما المكون الثالث لهذا النموذج فهو معادلة شرودنجر (Schrödinger) المعتمدة على الزمن بحيث يكون تركيز المادة وتوزيع نطاقات الطاقة من مدخلات هذه المعادلة. ومن هذه المعادلة يتم استخراج المعلومات المتعلقة بالطاقات الكمومية في منطقة القرص الكمومي وأشكال الدوال الكمومية المتعلقة بها. وبهذا يمكن دراسة خصائص الانبعاث الضوئي لهذا التشكيل نتيجة لعملية الاختلاط فيه لدرجات حرارة وفترات زمنية مختلفة. أستخدم الحل العددي للنموذج السابق باعتماد طريقة الفروقات المحدودة (Finite-difference Time-domain) مضافا اليها الحل العددي لمعادلة شرودنجر لتصبح QFDTD وذلك في بعد واحد وفي ثلاثة أبعاد. ولقد أظهرت نتائج المحاكاة إمكانية ادخال تغيير على النطاق الضوئي لتشكيل QD-NW عن طريق التحكم في مدة ودرجة التسخين، التركيز الابتدائي للأنديوم (In)، قطر السلك النانوي وسمك القرص الكمومي. هذا وقد تمت مقارنة نتائج المحاكاة بقياسات معملية أجريت في معامل جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية بغرض المعايرة والاعتماد.

English Abstract

Quantum structure based LEDs have been widely studied to produce broadband and tunable emission such as quantum disk-in-nanowire (QD-NW) LED. The consideration of $GaN$-based QD-NW as a building block of LED structure is well-known due to the benefits in self-growth ability, extended defect free and minor surface recombination velocity. Intermixing process is a potential and effective way to engineer and manipulate LED characteristic. In this thesis, the intermixing process is modeled by Fickian interdiffusion equation including the concentration dependence of interdiffusion coefficient. The interdiffusion model is compared to analytical result. The spontaneous and piezoelectric polarization effects are also accounted for to represent the nature of $GaN/InGaN$ structure. The solution of Possion equation is used to construct the energy band diagram by Vegard's law. The energy band profile is linked to the Schr\"odinger equation solver to generate emission properties, eigen energies and eigen functions, of the structure. The numerical solver is based on Quantum Finite Difference Time Domain (QFDTD) to tackle one dimensional QD-NW as well as three dimensional cases. Numerical analysis including discretization analysis, consistency, stability and convergence are also presented. \\ Results show that eigen energy shifts can be achieved by increasing the annealing time and temperature, the percentage of polarization and the initial indium concentration or shrinking the diameter of nanowire and the well thickness. In fact, the annealing time and temperature and the initial indium concentration drive the slope of the shift proportionally. In the case of MQW structures, the length of the well separation can be used to cause well-coupling. The model is compared to experimental data provided by KAUST and differences are discussed.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Math Physics Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Alsunaidi, Mohammad A.
Committee Members:	Alsunaidi, Mohammad A. and Yilbas, Bekir S. and Ooi, Boon S. and Jamid, Husain A. S. and Al-Absi, Munir A. K.
Depositing User:	TRI SUSILO (g201207100)
Date Deposited:	24 Jun 2015 08:04
Last Modified:	01 Nov 2019 16:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139678