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03 - I Programmi di Crossligh

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Crosslight è una compagnia internazionale con sede in Vancouver (Canada). Da più di un decennio realizza software TCAD per la simulazione di dispositivi e processi a semiconduttore. Inizialmente Beamtek Software, Crosslight è stata la prima compagnia commerciale a fornire software CAD per la modellazione elettrica e ottica di diodi laser.

I software prodotti da Crosslight sono una serie di strumenti di progetto assistito al computer (PICS3D, LASTIP, APSYS) progettati per simulare dispositivi a semiconduttore, dal punto di vista elettronico o optoelettronico. Si basano su una analisi a elementi finiti in due o tre dimensioni, e utilizzano numerosi modelli fisici e numerici. I principali prodotti sono da un lato Apsys, che tratta dei semiconduttori a livello elettronico e optoelettronico, e dall'altro PICS3D e LASTIP, che trattano di laser.

LASTIP (Laser Technology Integrated Program) è un programma per la simulazione di laser in due dimensioni. Date la struttura del dispositivo e le proprietà del materiale, fornisce innumerevoli dati per descrivere le caratteristiche dell'oggetto. Può essere utilizzato come programma CAD per ottimizzare i laser esistenti, o per progettarne di nuovi. Grazie alla completezza dei modelli fisici e di calcolo, permette all'utente di concentrarsi sull'ottimizzazione e il progetto del dispositivo, lasciando la parte di modellizzazione numerica al computer. LASTIP risolve le opportune equazioni differenziali sia per laser con pozzi quantici che per laser di tipo bulk. Tra le grandezze che può calcolare ricordiamo:

  1. Caratteristica luce - corrente.
  2. Caratteristica tensione - corrente.
  3. Distribuzioni in due dimensioni di corrente, campo elettrico, potenziale.
  4. Distribuzioni in due dimensioni di elettroni e lacune.
  5. Diagrammi a bande in varie condizioni di polarizzazione.
  6. Struttura delle sottobande nei pozzi quantici.
  7. Distribuzione in due dimensioni dell'occupazione e della concentrazione delle trappole profonde in un semiconduttore.
  8. Distribuzione in due dimensioni del campo ottico.
  9. Distribuzione del guadagno ottico locale.
  10. Spettro del guadagno modale come funzione della corrente.
  11. Spettro di emissione spontanea come funzione della corrente.
  12. Distribuzione in campo lontano.
  13. Tutte le precedenti grandezze in funzione del tempo.
  14. Tutte le precedenti grandezze a varie temperature.

Apsys è un software di analisi e modellazione di dispositivi a semiconduttore per scopi generali, in due dimensioni, basato su metodi a elementi finiti. Include molti modelli fisici avanzati e offre una ambiente di simulazione e modellizzazione molto flessibile e adatto per molti dispositivi moderni. Possono essere calcolate anche proprietà e strutture avanzate, come il trasporto di portatori caldi, modelli di eterogiunzioni e analisi non isoterma. Può essere applicato alla modellazione e all'analisi di praticamente tutti i dispositivi, ad eccezione dei laser a semiconduttore (che sono oggetto di altri software, quali LASTIP e PICS3D). Tra gli oggetti simulabili, ricordiamo in particolare i dispositivi basati sul silicio e sui materiali composti:

  1. Vari tipi di dispositivi al silicio.
  2. MOSFET in silicio, transistor bipolari e CCD.
  3. MESFET in GaAs.
  4. Dispositivi con pozzi quantici multipli.
  5. Led e Oled.
  6. Celle fotovoltaiche.
  7. Fotorivelatori.
  8. Transistor a alta mobilità di elettroni (HEMT).
  9. Transistor bipolari a eterogiunzione (HBT) in SiGe, AlGaAS e InGaAsP.
  10. Amplificatori ottici a semiconduttore (SOA).
  11. Resonant tunneling diodes (RTD).
  12. Fotorivelatori nell'infrarosso con pozzi quantici (QWIP).
  13. Piccoli dispositivi MOS con forti presenze di meccanica quantistica (Quanmtim-MOS).

Il programma è in grado di risolvere in maniera auto-consistente le equazioni idrodinamiche, di trasferimento del calore e di deriva-diffusione. I dati generati da Apsys includono:

  1. Caratteristica corrente-tensione.
  2. Distribuzioni di corrente, campo elettrico e potenziale in due dimensioni.
  3. Concentrazioni di elettroni e lacune in due dimensioni.
  4. Distribuzione delle temperature dei portatori caldi nel modello idrodinamico in due dimensioni.
  5. Distribuzioni della temperatura del reticolo nel modello di trasferimento di calore in due dimensioni.
  6. Diagrammi a bande in varie condizioni di polarizzazione.
  7. Risultati dell'analisi di piccolo segnale per qualsiasi gamma di frequenza. Estrazione dei parametri due-porte, come S o Y, in frequenza.
  8. Struttura delle sottobande con il Valence Mixing Mode per i dispositivi basati su pozzi quantici.
  9. Distribuzioni dell'occupazione e della concentrazione di Deep Level Traps in un semiconduttore.
  10. Distribuzione del campo ottico per dispositivi fotonici come fotorilevatori.
  11. Spettro di emissione spontanea in funzione della corrente per i LED.
  12. Tutte le precedenti grandezze in funzione del tempo (modello di transitorio).
  13. Tutte le precedenti grandezze a differenti temperature.

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator 3D) è un simulatore in tre dimensioni per diodi laser e relativi circuiti e dispositivi di guida d'onda per i fotoni. Basato su un'analisi a elementi finiti, risolve le equazioni dei semiconduttori e d'onda per fornire un'accurata descrizione delle proprietà del dispositivo. Se tarato con uno specifico materiale o processo, può essere usato come strumento CAD per ottimizzare dispositivi esistenti o stimare nuovi progetti. Tra i dispositivi simulabili ricordiamo:

  1. Laser FP (Fabry-Perot).
  2. Laser DFB (Distributed Feedback).
  3. Laser DBR (Distributed Bragg Reflector).
  4. Amplificatori ottici a semiconduttore (SOA).
  5. Fotorilevatori in guida d'onda (WPD).
  6. Laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
  7. Laser a cavità esterna.
  8. Laser Fiber Grating.
  9. Modulatori a elettroassorbimento (EAM).
  10. Laser DFB o DBR multisezione e a multi-elettrodo.
  11. Circuiti integrati fotonici a multisezione composti da più dispositivi tra quelli sopra citati.

PICS3D solitamente combina soluzioni delle equazioni in due dimensioni dei semiconduttori in sezioni trasversali multiple di una guida d'onda con le soluzioni dei modi orizzontali per realizzare un modello quasi-3D del dispositivo fotonico. In alternativa, una soluzione in tre dimensioni delle equazioni in tre dimensioni può essere utilizzata, a patto di utilizzare una maggiore potenza di calcolo. Possono essere trattati sia i laser con pozzi quantici che bulk, oltre che dispositivi con modelli avanzati di quantum well (come per la teoria k.p.), permettendo all'utente di modellizzare quantum well posti sotto stress. I materiali semiconduttori implementati includono GaAS/AlGaAs, InGaAsP cresciuto su InP e GaAs, InGaAs/GaAs, InGaP e molti altri. Le proprietà ottiche, come il guadagno ottico e i tassi di emissione spontanea dei pozzi, fili e punti quantici sono calcolati con autoconsistenza. Le capacità di simulazione includono:

  1. Caratteristica Luce-Corrente.
  2. Distribuzioni di potenziale, campo elettrico e corrente in tre dimensioni.
  3. Distribuzioni delle concentrazioni di lacune e elettroni in 3D.
  4. Diagrammi a bande in varie condizioni di polarizzazione.
  5. Struttura delle sottobande dei pozzi quantici con Valence Mixing Model.
  6. Distribuzioni delle occupazioni e concentrazioni di Deep Level Traps in tre dimensioni.
  7. Distribuzione del campo elettrico in tre dimensioni.
  8. Distribuzione locale del guadagno ottico.
  9. Spettri di emissione multimodali a differenti livelli di potenza.
  10. Distribuzione della potenza d'uscita e densità longitudinale di fotoni in funzione della corrente di polarizzazione.
  11. Caratteristica dei laser DFB con gli effetti del saturazione spettrale e spaziale delle lacune.
  12. Simulazione multimodale dei laser DFB.
  13. RIN (Relative Intensitiy Noise), FM (Frequency Noise) e larghezza spettrale in differenti condizioni di polarizzazione.
  14. Caratteristica statica e dinamica di un laser DFB o DBR a elettrodo singolo o multiplo.
  15. Distorsione di seconda armonica in un sistema a laser in condizioni di modulazione diretta di corrente.

Oltre ai tre programmi principali, Crosslight offre altri programmi di minore rilevanza, quali:
  • PROCOM (PROcesses of COMpounds): E' un software di simulazione per la crescita di semiconduttori composti tramite MOCVD ( Deposizione a vapori chimici metallo-organica).
  • CSUPREM (Crosslight-SUPREM): E' un software di simulazione di processi basato sul codice SUPREM.IV della Stanford University.

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