Особливості розвитку ударної іонізації в напівпровідникових сполуках InGaN та InAlN
Анотація
Актуальність. Унікальне спектральне положення частот терагерцового діапазону визначає труднощі розвитку компактних твердотільних джерел терагерцового випромінювання. У більшості випадків відбувається витіснення робочих частот існуючих пристроїв у терагерцову частину спектру. Відомо, що ударна іонізація, особливо у своїй початковій стадії, є досить швидкоплинними процесом, який можна використати для покращення частотних властивостей приладів. Часові та просторові обмеження ударної іонізації у сполуках InGaN та InAlN потребують оцінки для визначення перспектив її використання для конструювання приладів у терагерцовому діапазоні.
Метою роботи є визначення величин часових та просторових затримок у розвитку ударної іонізації, що ініціюється електронами, у напівпровідникових сполуках InGaN та InAlN на початковому етапі виникнення ударної іонізації.
Методи і методологія. З використанням багаточастинкового методу Монте-Карло у наближенні однорідного електричного поля проведено моделювання електронного транспорту з врахуванням актуальних механізмів розсіяння, в тому числі розсіяння на сплавному потенціалі та ударної іонізації. Розглядався матеріал з однорідним розподілом складу та матеріал із залежністю складу від координати. Аналізувалися просторові розподіли актів ударної іонізації для ансамблю носіїв заряду, за якими визначалися характерні довжини локалізації ударної іонізації та затримки в часі її виникнення.
Результати. В сполуках InGaN та InAlN при напруженостях електричного поля більших 100 кВ/см часи виникнення ударної іонізації на початковій стадії її розвитку становлять менше 2 пс, а при вмісті відповідно Ga та Al менше 60 % можуть бути на порядок меншими. Довжини, на яких електрон набирає енергію для створення акту ударної іонізації у розглянутому випадку, складають близько 100- 200 нм і зменшуються із зростанням величини напруженості електричного поля. У випадку сполуки InAlN вони можуть стати менше 50 нм. На розміри області початкового набору енергії можна впливати, використовуючи варизонний шар, у якому ширина заборонено зони зменшується в бік аноду, проте найменші величини “мертвої зони” відповідають однорідним за складом матеріалам.
Висновки. Таким чином, ударну іонізацію на початковій стадії можна використовувати у надвисокачастотних приладах, зокрема як механізм релаксації енергії в терагерцовому діапазоні.
Завантаження
Посилання
2. Mittleman DM. Perspective: Terahertz science and technology. Journal of Applied Physics. 2017; 122(23): 230901-1–230901-12. https://doi.org/10.1063/1.5007683
3. Song HJ, Nagatsuma T, editors. Handbook of Terahertz Technologies: Devices and Applications. Pan Stanfor, New York; 2015. 606 p.
4. Isogawa T, Kumashiro T, Song HJ, Ajito K, Kukutsu N, Iwatsuki K, et al. Tomographic Imaging Using Photonically Generated Low-Coherence Terahertz Noise Sources. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2012; 2(5): 485–492. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2012.2208745
5. Chan WL, Daniel JA, Mittleman D. Imaging with Terahertz Radiation. Reports on Progress in Physics. 2007; 70(8): 1325–1379. https://doi.org/10.1088/0034-4885/70/8/R02
6. Ahi K. Review of GaN-based devices for terahertz operation. Optical engineering. 2017; 56(9): 090901-1–090901-14. https://doi.org/10.1117/1.OE.56.9.090901
7. Köhler R, Tredicucci A, Beltram F, Beere H, Linfield E, Davies A, et al. Terahertz semiconductor-heterostructure laser. Nature. 2002; 417: 156–159. https://doi.org/10.1038/417156a
8. Suzuki S, Asada M, Teranishi A, Sugiyama H, Yokoyama H. Fundamental oscillation of resonant tunneling diodes above 1 THz at room temperature. Applied Physics Letters. 2010; 97(24): 242102-1– 242102-3. https://doi.org/10.1063/1.3525834
9. Feiginov M, Sydlo C, Cojocari O, Meissner P. Resonant-tunnelling-diode oscillators operating at frequencies above 1.1 THz. Applied Physics Letters. 2011; 99(3): 233506-1– 233506-3. https://doi.org/10.1063/1.3667191
10. Izumi R, Suzuki S, Asada M. 1.98 THz resonant-tunneling-diode oscillator with reduced conduction loss by thick antenna electrode. 2017 42nd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves; 2017; Cancun, Mexico. p. 788–791. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2017.8066877
11. Lyakh A, Maulini R, Tsekoun A, Go R, Pflug C, Diehl L, et al. 3 W continuous-wave room temperature single-facet emission from quantum cascade lasers based on nonresonant extraction design approach. Applied Physics Letters. 2009; 95(14): 141113-1– 141113-3. https://doi.org/10.1063/1.3238263
12. Zhang SY, Revin DG, Cockburn JW, Kennedy K, Krysa AB, and Hopkinson M. λ~3.1 mm room temperature InGaAs/AlAsSb/InP quantum cascade lasers. Applied Physics Letters. 2009; 94(3): 031106-1– 031106-3. https://doi.org/10.1063/1.3073865
13. Rochat M, Ajili L, Willenberg H, Faist J, Beere H, Davies G, et al. Low-threshold terahertz quantum-cascade lasers. Applied Physics Letters. 2002; 81(8): 1381– 1383. https://doi.org/10.1063/1.1498861
14. Kal’fa AA, Konoplyannikov SN, Poresh SB, Tager AS. Contact heating of electrons and dynamics of domains in short gunn diodes. Soviet physics. Semiconductors. 1981: 15(7): 784– 786.
15. Eastman LF. Electron ballistc enjection and extraction for very high efficiency, high frequency transferred electron devices. United States patent US 4,649,405. 1987 Mar 10.
16. Friscourt MR, Rolland PA, Pernisek M. Heterojunction Cathode Contact Transferred Electron Oscillators. IEEE Electron Device Lett. 1985; 6(10): 497– 499. https://doi.org/10.1109/edl.1985.26207
17. Eisele H, Naftaly M, Fletcher JR, Steenson DP, Stone MR. The Study of Harmonic-Mode Operation of GaAs TUNNETT Diodes and InP Gunn Devices Using a Versatile Terahertz Interferometer. Proceedings of the 15th International Symposium on Space Terahertz; 2004; Northampto, United States. p. 336– 400.
18. Eisele H, Kamoua R. Submillimeter-wave InP Gunn devices. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques. 2004; 52(10): 2371 - 2378. https://doi.org/10.1109/TMTT.2004.835974
19. Eisele H. Third-Harmonic Power Extraction From InP Gunn Devices up to 455 GHz. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2009; 19(6): 416– 418. https://doi.org/10.1109/LMWC.2009.2020044
20. García S, Pérez S, Íñiguez-De-La-Torre I, Mateos J, González T. Comparative Monte Carlo analysis of InP- and GaN-based Gunn diodes. Journal of Applied Physics. 2014; 115(4): 44510-1– 44510-7.
http://dx.doi.org/10.1063/1.4863399
21. Papageorgiou V, Khalid A, Li C, Cumming DRS. Cofabrication of Planar Gunn Diode and HEMT on InP Substrate. IEEE Transactions on Electron Devices. 2014; 61(8): 2779 – 2784. http://dx.doi.org/10.1109/TED.2014.2331368
22. Morkoc H, editor. Handbook of Nitride Semiconductors and Devices. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim; 2009. 1311 p.
23. Barry EA, Sokolov VN, Kim KW, Trew RJ. Terahertz generation in GaN diodes in the limited space-charge accumulation mode. Journal of Applied Physics. 2008; 103(12): 126101-1–126101-3. https://doi.org/10.1063/1.2946717
24. Botsula OV, Prykhodko KH. Generation of electromagnetic oscillations of submillimeter range by GazIn1-zAs diodes using impact ionization. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2019; 11(2): 02009-1 - 02009-5.
25. Botsula OV, Prykhodko KH, Shevchenko OR. Frequency responses of graded-gap GaInAs-based structure with impact ionization. Visnyk of V.N. Karazin Kharkiv National University, series “Radio Physics and Electronics”. 2017; 27: 85–89. [In Ukrainian].
26. Adachi S. GaAs, AlAs, and AlxGa1-xAs: Material parameters for use in research and device applications. Journal of Applied Physics. 1985; 58(3): 1–29. https://doi.org/10.1063/1.336070
27. Vurgaftman I, Meyer JR, Ram-Mohan LR. Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys. Journal of Applied Physics. 2001; 89(11): 5815–5875. https://doi.org/10.1063/1.1368156
28. Donmez O, Gunes M, Erol A, Arikan C, Balkan N, Schaff W. The role of dislocation-induced scattering in electronic transport in GaxIn1-xN alloys. Nanoscale Research Letters. 2012; 7: 490-1–490-6. https://doi.org/10.1186/1556-276X-7-490
29. Piprek J, editor. Nitride Semiconductor Devices Principles and Simulation. Weinheim: Wiley‐VCH; 2007. 519 p.
30. Adachi S. Properties of Semiconductor Alloys: Group-IV, III–V and II–VI Semiconductors. Chichester: Wiley; 2009. 424 p.
31. Rüdiger Q. Gallium Nitride Electronics. Berlin: Springer; 2008. 470 p.
32. Siddiqua P, Hadi WA, Shur, MS, O’Leary SK. A 2015 perspective on the nature of the steady-state and transient electron transport within the wurtzite phases of gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, and zinc oxide: a critical and retrospective review. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2015; 26(7): 4475-4512.
33. Morkoç H. Handbook of Nitride Semiconductors and Devices Vol. 1: Materials Properties, Physics and Growth. Weinheim: Wiley-VCH; 2008. 1257 p.
