Високочастотні властивості GaN, AlN та InN у сильних полях

##plugins.themes.bootstrap3.article.main##

Kostiantyn Viacheslavovych Kulikov
Volodymyr Oleksandrovych Moskaliuk
Volodymyr Ivanovych Tymofieiev

Анотація

У статті запропоновано метод моделювання і аналізу високочастотних властивостей многодолинних напівпровідників, зокрема GaN, AlN і InN. Модель застосована до надсучасних, перспективних і актуальних матеріалів GaN, AlN і InN, які зараз відомі під узагальнюючою назвою III-нітриди. Метод відрізняється економним використанням обчислювальних ресурсів без істотних втрат точності і можливістю застосування як для динамічних задач у часі, так і змінних у просторі полів.

Запропонований підхід базується на вирішенні системи диференціальних рівнянь, які відомі як релаксаційні і отримані з кінетичного рівняння Больцмана в наближенні часу релаксації по функції розподілу по k-простору. В англомовній літературі цей метод відомий під назвою «метод моментів». На відміну від традиційної системи рівнянь для концентрації носіїв, їх імпульсу і енергії тут використано замість рівняння релаксації енергії рівняння для електронної температури як міри енергії тільки хаотичного руху. Друга істотна відмінність полягає в тому, що часи релаксації визначаються не як інтегральні значення із статичних характеристик матеріалу, а через усереднення квантовомеханических швидкостей розсіювання, зазвичай використовуваних у методі Монте-Карло, для окремих видів розсіювання. Усереднення проводилося за максвеллівською функцією розподілу в наближенні електронної температури, в результаті чого враховуються різні механізми розсіювання носіїв через специфічні для них часи релаксації. Оскільки використовувана система рівнянь включає рівняння в частинних похідних за часом і координатами, вона дає можливість досліджувати характерні прояви імпульсних властивостей розглянутих матеріалів, а саме: часовий ефект «сплеску» дрейфової швидкості і просторовий «балістичний транспорт» носіїв.

Вперше розглядається використання перетворення Фур’є імпульсної залежності дрейфовой швидкості носіїв для обчислення максимальних властивих напівпровіднику частот. Виявлено зв’язок форми спектральної характеристики швидкості дрейфу з переважаючими в даному електричному полі механізмами розсіювання. Проаналізовано властивості III-нітридів у частотної області в сильному електричному полі і робиться порівняння з існуючими методами оцінки частот відсічення. Показано, що граничні частоти збільшуються з ростом напруженості електричного поля і складають сотні гігагерців, а для нітриду алюмінію перевищують тисячу гігагерців. Це пов’язано, можливо, з найбільшими для нього міждолинними відстанями і відповідно з ослабленим міждолинним розсіюванням. Аналіз просторового прояву ефекту сплеску показує можливість практично без зіткнень, балістичного прольоту електронів у сильному полі на відстанях до сотих і десятих часток мікрометра.

Бібл. 15, рис. 10, табл. 1.

##plugins.themes.bootstrap3.article.details##

Як цитувати
Kulikov, K. V., Moskaliuk, V. O., & Tymofieiev, V. I. (2019). Високочастотні властивості GaN, AlN та InN у сильних полях. Мікросистеми, Електроніка та Акустика, 24(3), 20–32. https://doi.org/10.20535/2523-4455.2019.24.3.178841
Розділ
Мікросистеми та фізична електроніка
Біографія автора

Kostiantyn Viacheslavovych Kulikov, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Associate Professor of Acoustics and Acoustoelectronics

Посилання

B. E. Foutz, S. K. O’Leary, M. S. Shur, L.F. Eastman, "Transient electron transport in wurtzite GaN, InN, and AlN," J. of Appl. Phys., vol. 85, no. 11, pp. 7727-7734, 1999. DOI: 10.1109/T-ED.1970.16921

Zhe Chuan Feng, III-Nitride Semiconductor Materials, Imperial College Press and distributed by World Scientific Publishing Co., 2006. DOI: 10.1142/p437

R. Khokni ta D. Istvud , Chislennoye modelirovaniye metodom chastits [Particle Numerical Modeling], M.: Mir, 1987, p. 640.

V. Moskaliuk, V. Timofeev and A. Fedyay, Ultra-high-speed electronic devices, Saarbrucken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014.

Sadao Adachi, Properties of Semiconductor Alloys: Group -IV, III – V, II – VI Semiconductors, West Sussex, United Kingdom: John Wiley & Sons Ltd, 2009, p. 400. DOI: 10.1002/9780470744383

O. Bokula i E. Prokhorov, «Chastotnyye svoystva mezhdolinnogo perenosa v nitride galliya [Frequency properties of intervalley transport in gallium nitride ]», Tekhnika i pribory SVCH, № 1, pp. 24-28, 2011. URL: http://www.tkea.com.ua/svc/2011/1_2011/st_07.htm

K. Zeyeger, Fizika poluprovodnikov [Semiconductor Physics]: Per. s angl. R. Brezisa, A. Matulenisa, A. Tetervova, M.: Mir, 1977, p. 616.

К. Kulikov, I. Baida, V. Moskaliuk and V. Timofeyev, "Conductance Cutoff of A3B5 Nitrides at High-Frequency Region," in 2018 IEEE 38th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), pp. 101-105., 2018. DOI: 10.1109/ELNANO.2018.8477497

V. M. Ivashchenko ta V. V. Mitin, Modelirovaniye kineticheskikh yavleniy v poluprovodnikakh. Metod Monte-Karlo [Modeling of kinetic phenomena in semiconductors. Monte Carlo Method], Kiyev: Naukova dumka, 1990, p. 192.

M. S. Shur, GaAs devices and circuits, New York, NY: Springer Science & Business Media, 1987. DOI: 10.1007/978-1-4899-1989-2

V. Moskalyuk, YU. Sinekop ta R. Kassing, Fizika elektronnykh protsessov. Chast' I. Elektronnyye sostoyaniya: Uchebnoye posobiye [Physics of electronic processes. Part I. Electronic states: Textbook], Kiyev: UkrINTEI, 2001, p. 148.

E. D. Prokhorov, N. I. Beletskiy, Poluprovodnikovyye materialy dlya priborov s mezhdolinnym perenosom elektronov [Semiconductor materials for devices with inter-valley electron transfer], Khar'kov: Vysshaya shkola, 1982, p. 144.

V. A. Moskalyuk ta K. V. Kulykov, «Chastotnye parametry nytryda hallyya v sylʹnykh polyakh [Frequency parameters of gallium nitride in strong fields]]» Kyyiv: Visnyk Derzhavnoho universytetu informatsiyno-komunikatsiynykh tekhnolohiy, t. 7, № 3, pp. 306-309, 2009.

K. V. Kulikov ta V. A. Moskalyuk, «Vsplesk dreyfovoy skorosti v nitride galliya [Burst of Drift Speed in Gallium Nitride],» Kiyev: Elektronika i svyaz', t. 4-5, pp. 28-31, 2009. URL: http://journals.kpi.ua/publications/text/2009_2_28_31.pdf

K. Blotekjaеr, «Transport equations for two-valley semiconductors,» IEEE Trans. Electron Devices, т. ED-17(1), pp. 38-47, 1970. DOI: 10.1109/T-ED.1970.16921

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають