Високочастотні властивості GaN, AlN та InN у сильних полях

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.