LED 电—光—热耦合器件仿真
LED Electro-Optical-Thermal Coupled Device Simulation（LED TCAD / MQW / Current Spreading / Self-Heating）也称 LED多物理场仿真、量子阱电光仿真、电流扩展仿真、LED自热模型、电光热耦合
LED仿真要沿异质能带与量子阱、载流子注入复合、三维电流扩展、热产生传导和光提取逐层传递，而不能用单一IQE曲线代表整个芯片。
速览
约 1 分钟一维异质结构模型计算能带、极化、载流子和复合，再把有源区I-V、效率与热源传给三维芯片模型，求电流拥挤和温升；光学射线或波动模型最后计算光如何离开芯片。每一次跨模型传递都要对齐面积、温度、参考面和功率守恒。
系统理解
约 3 分钟LED纵向有源区包含异质带阶、极化电荷和多量子阱。泊松方程、漂移扩散与复合模型给出偏压下的载流子分布，薛定谔或量子修正计算限制态与波函数重叠。辐射、SRH和Auger项共同决定内部复合；波函数重叠增加只说明某类跃迁矩阵元可能增强，不能单独保证IQE或EQE提高。
芯片横向尺度远大于量子阱厚度，常采用降阶耦合：先由一维有源区得到局部电流—电压—效率关系，再在二维/三维导电层、电极和接触中求电势及电流扩展。这个传递若忽略局部温度、片电阻、接触电阻或有源区非均匀，就会低估电流拥挤。
热源包括串联与接触焦耳热、非辐射复合、吸收和未转化为外部光的电功率。热方程还需芯片、衬底、键合、封装和冷却边界；只模拟裸芯片并固定底面温度，不能直接预测封装结温。温升反过来改变带隙、迁移率、接触、电阻、复合与光谱，必要时应自洽迭代。
电极加密可能改善均流，却同时增加吸光、刻蚀面积损失、寄生电阻和制造复杂度。仿真优化应同时看电流密度分位数、局部温度、光输出、有效发光面积与容差，而非只比较一张更均匀的云图。最终需以I-V、光功率、光谱、热阻/结温和空间EL地图交叉验证。
承接氮化物LED异质结构、量子阱、芯片电极与热阻，向后连接版图优化、晶圆电光测试、封装和可靠性。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| 量子阱/势垒厚度、组分、极化与应变 | nm / % / C·m⁻² / % | 决定限制态、带弯曲和波函数重叠 |
| B、SRH寿命、Auger系数与载流子泄漏 | cm³·s⁻¹ / s / cm⁶·s⁻¹ / % | 分解辐射和非辐射损失 |
| 片电阻、接触电阻和电极几何 | Ω/□ / Ω·cm² / µm | 控制三维电流扩展与拥挤 |
| 热导率、界面热阻和冷却边界 | W·m⁻¹·K⁻¹ / m²·K·W⁻¹ / W·m⁻²·K⁻¹ | 决定温升和反馈 |
| I-V、EL/PL、光谱、光功率与结温地图 | V/A / a.u. / nm / W / K | 构成多输出验证集 |
常见误区
- 把波函数重叠增大直接等同EQE提高
- 把归一化光谱当作绝对光功率
- 认为电极越多电流越均匀且没有代价
- 只用芯片固定温度模型预测封装结温
- 把单次参数扫描的单调趋势当成普适设计规律
工程深入
12 条结论 · 1 道例题纵向有源区
量子限制
光谱解释
降阶耦合
电流扩展
电极折中
热源分解
热边界
热反馈
空间验证
参数扫描
焦耳热算例
一百安每平方厘米和一毫欧平方厘米接触产生十瓦每平方厘米热流
算例说明接触热源按J平方快速增长，但真实接触还可能随温度电流和空间位置变化。15
q''contact=J²ρc=100²×10⁻³=10 W/cm²
- q''contact
- 接触面热流密度，单位 W/cm²
成立条件 J=100 A/cm²；ρc=1×10⁻³ Ω·cm²；均匀接触
例题：动手算一次教学假设，可复算
电流密度100 A/cm²、比接触电阻1 mΩ·cm²时接触焦耳热流是多少？
已知
- J=100 A/cm²
- ρc=0.001 Ω·cm²
步骤
- J²=10000 A²/cm⁴，电流密度平方。
- q''=10000×0.001=10 W/cm²，乘比接触电阻。
局部拥挤会显著放大接触发热。
不能外推到 假设接触均匀且ρc常数；未含电流收缩、温度系数、界面空洞和瞬态热容。
出处
6 份资料 · 8 处引用- 1
微纳制造与半导体器件
- 第 12 章 §12.1.1，第 249–255 页 支持：异质带阶极化和应变共同塑造量子阱势能；薛定谔与泊松方程需要自洽连接限制态和电荷
- 第 12 章 §12.1.1(3)，第 255–258 页 支持：波函数重叠增大不自动等于外量子效率提高；单组掺杂扫描的单调趋势不是普适优化规则
- 第 12 章 §12.1.2，第 259–266 页 支持：一维有源区关系可作为三维芯片局部本构；片电阻和接触电阻共同形成电流拥挤；增加电极数量同时改善均流并增加遮光和面积损失；焦耳热非辐射热和吸收热需要避免重复计入；固定底温裸芯片模型不能直接给出封装结温；温升会反向改变电流光谱复合和热源；空间EL和热图能约束只看总I-V遗漏的非均匀；一百安每平方厘米和一毫欧平方厘米接触产生十瓦每平方厘米热流
- 2
Multiscale Modeling and Validation of Semiconductor Materials and Devices
- NIST project §§Summary, Description and Technical Details，integrated multiphysics simulation and validation 支持：异质带阶极化和应变共同塑造量子阱势能；一维有源区关系可作为三维芯片局部本构；固定底温裸芯片模型不能直接给出封装结温；单组掺杂扫描的单调趋势不是普适优化规则
- 3
Sesame: Optoelectronic Modeling in Multiple Dimensions
- NIST Sesame Web §§Home, About and Documentation，drift-diffusion-Poisson solver scope and optoelectronic examples 支持：薛定谔与泊松方程需要自洽连接限制态和电荷
- 4
High-brightness lasing at submicrometer enabled by droop-free fin light-emitting diodes
- NIST publication §§Abstract–Description，efficiency droop, recombination-region spreading and fin-LED boundary 支持：波函数重叠增大不自动等于外量子效率提高；增加电极数量同时改善均流并增加遮光和面积损失；温升会反向改变电流光谱复合和热源
- 5
Charon User Manual: Semiconductor Device Simulation
- Charon User Manual §§13.3–13.4，physics, material models and discretization 支持：片电阻和接触电阻共同形成电流拥挤；焦耳热非辐射热和吸收热需要避免重复计入；一百安每平方厘米和一毫欧平方厘米接触产生十瓦每平方厘米热流
- 6
Physics for Device Simulations and Its Verification by Measurements
- NIST Web §§Title, Abstract record and Citation，physics for device simulations and verification by measurements 支持：空间EL和热图能约束只看总I-V遗漏的非均匀