Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN

Освоение миллиметрового и терагерцевого диапазонов является одной из актуальных задач радиофизики. Однако на сегодняшний день набор активных элементов, способных работать в указанных диапазонах, ограничен. Ударная ионизация в широко-зонных нитридных соединениях является быстропротекающим процессом и...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Боцула, О.В., Приходько, К.Г., Зозуля, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2016
Назва видання:	Радіофізика та електроніка
Теми:	Радиофизика твердого тела и плазмы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122646
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN / О.В. Боцула, К.Г. Приходько, В.А. Зозуля // Радіофізика та електроніка. — 2016. — Т. 7(21), № 4. — С. 83-88. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-122646
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1226462017-07-17T03:03:09Z Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN Боцула, О.В. Приходько, К.Г. Зозуля, В.А. Радиофизика твердого тела и плазмы Освоение миллиметрового и терагерцевого диапазонов является одной из актуальных задач радиофизики. Однако на сегодняшний день набор активных элементов, способных работать в указанных диапазонах, ограничен. Ударная ионизация в широко-зонных нитридных соединениях является быстропротекающим процессом и может быть использована в активных элементах указанных диапазонов. В данной работе исследуется перенос заряда в коротких (с длиной активной области менее 0,3 мкм) диодных структурах на основе AlzGa1–zN с целью определения условий возникновения и особенностей ударной ионизации, а так же ее влияния на характеристики приборов. Показана возможность получения локализованной области с высокой напряженностью электрического поля, достаточной для возникновения ударной ионизации и управления ею путем изменения распределения состава AlzGa1–zN по длине диода. Результатом исследований является определение основных закономерностей развития ударной ионизации в предложенных диодных структурах. Они являются ориентиром для дальнейшего детального анализа физических процессов и практической реализации таких структур. Освоєння міліметрового і терагерцового діапазонів є однією із актуальних задач радіофізики. Проте на сьогодні набір активних елементів, що здатні працювати у вказаних діапазонах, є обмеженим. Ударна іонізація в широкозонних нітридних сполуках представляє собою швидкоплинний процес і може бути використана в активних елементах зазначених діапазонів. У цій роботі досліджується перенессення заряду в коротких (з довжиною активної області менше 0,3 мкм) діодних структурах на основі AlzGa1–zN з метою визначення умов виникнення та особливостей ударної іонізації, а також її вплив на характеристики приладів. Показано можливість отримання локалізованої області з високою напруженістю електричного поля, достатньою для виникнення ударної іонізації та керування нею шляхом зміни розподілу складу AlzGa1–zN по довжині діода. Результатами досліджень є визначення основних закономірностей розвитку ударної іонізації в запропонованих діодних структурах. Вони є орієнтиром для подальшого детального аналізу фізичних процесів та практичної реалізації таких структур. The development of millimeter and terahertz wave ranges is one of the main objectives of radiophysics. However, there are not many active elements that can operate in those ranges. Impact ionization in wide gap semiconductors is a fast process and can be used in active elements operating in these ranges. In this paper the charge transfer in short diodes (the length of the active area is less than 0.3 m) is considered. The purpose of the study is to determine the appearance conditions and peculiarities of impact ionization. The influence of impact ionization on devises characteristics is determined. The possibility of creating localized high electric field region is shown. The field magnitude is enough for obtaining impact ionization. It is a possibility to operate the impact ionization by changing the AlzGa1–zN composition distribution along the diode. The result of the study is the determination of properties of impact ionization in the proposed structures. They can be used for further detailed analysis of physical processes of the structures and their manufacturing. 2016 Article Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN / О.В. Боцула, К.Г. Приходько, В.А. Зозуля // Радіофізика та електроніка. — 2016. — Т. 7(21), № 4. — С. 83-88. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122646 621.382.2 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Радиофизика твердого тела и плазмы Радиофизика твердого тела и плазмы
spellingShingle	Радиофизика твердого тела и плазмы Радиофизика твердого тела и плазмы Боцула, О.В. Приходько, К.Г. Зозуля, В.А. Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN Радіофізика та електроніка
description	Освоение миллиметрового и терагерцевого диапазонов является одной из актуальных задач радиофизики. Однако на сегодняшний день набор активных элементов, способных работать в указанных диапазонах, ограничен. Ударная ионизация в широко-зонных нитридных соединениях является быстропротекающим процессом и может быть использована в активных элементах указанных диапазонов. В данной работе исследуется перенос заряда в коротких (с длиной активной области менее 0,3 мкм) диодных структурах на основе AlzGa1–zN с целью определения условий возникновения и особенностей ударной ионизации, а так же ее влияния на характеристики приборов. Показана возможность получения локализованной области с высокой напряженностью электрического поля, достаточной для возникновения ударной ионизации и управления ею путем изменения распределения состава AlzGa1–zN по длине диода. Результатом исследований является определение основных закономерностей развития ударной ионизации в предложенных диодных структурах. Они являются ориентиром для дальнейшего детального анализа физических процессов и практической реализации таких структур.
format	Article
author	Боцула, О.В. Приходько, К.Г. Зозуля, В.А.
author_facet	Боцула, О.В. Приходько, К.Г. Зозуля, В.А.
author_sort	Боцула, О.В.
title	Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN
title_short	Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN
title_full	Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN
title_fullStr	Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN
title_full_unstemmed	Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN
title_sort	ударная ионизация в коротких диодах на основе alzga1–zn
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Радиофизика твердого тела и плазмы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122646
citation_txt	Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN / О.В. Боцула, К.Г. Приходько, В.А. Зозуля // Радіофізика та електроніка. — 2016. — Т. 7(21), № 4. — С. 83-88. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT boculaov udarnaâionizaciâvkorotkihdiodahnaosnovealzga1zn AT prihodʹkokg udarnaâionizaciâvkorotkihdiodahnaosnovealzga1zn AT zozulâva udarnaâionizaciâvkorotkihdiodahnaosnovealzga1zn
first_indexed	2025-07-08T22:06:50Z
last_indexed	2025-07-08T22:06:50Z
_version_	1837118879398100992
fulltext	РРААДДИИООФФИИЗЗИИККАА ТТВВЕЕРРДДООГГОО ТТЕЕЛЛАА ИИ ППЛЛААЗЗММЫЫ ________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2016. Т. 7(21). № 4 © ИРЭ НАН Украины, 2016 УДК 621.382.2 О. В. Боцула, К. Г. Приходько, В. А. Зозуля Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, 4, пл. Свободы, Харьков,61077, Украина E-mail: oleg.botsula@mail.ru УДАРНАЯ ИОНИЗАЦИЯ В КОРОТКИХ ДИОДАХ НА ОСНОВЕ AlzGa1–zN Освоение миллиметрового и терагерцевого диапазонов является одной из актуальных задач радиофизики. Однако на се- годняшний день набор активных элементов, способных работать в указанных диапазонах, ограничен. Ударная ионизация в широко- зонных нитридных соединениях является быстропротекающим процессом и может быть использована в активных элементах ука- занных диапазонов. В данной работе исследуется перенос заряда в коротких (с длиной активной области менее 0,3 мкм) диодных структурах на основе AlzGa1–zN с целью определения условий возникновения и особенностей ударной ионизации, а так же ее влия- ния на характеристики приборов. Показана возможность получения локализованной области с высокой напряженностью электри- ческого поля, достаточной для возникновения ударной ионизации и управления ею путем изменения распределения состава AlzGa1–zN по длине диода. Результатом исследований является определение основных закономерностей развития ударной ионизации в пред- ложенных диодных структурах. Они являются ориентиром для дальнейшего детального анализа физических процессов и практиче- ской реализации таких структур. Ил. 8. Библиогр.: 10 назв. Ключевые слова: диоды, ударная ионизация, гетеропереход, варизонный слой, домен, напряженность электрического поля. Получение высоких рабочих частот в твердотельных активных элементах и, в частности, возможность их работы в терагерцевом диапазоне предопределили необходимость поиска возмож- ных путей повышения их быстродействия. Решение данной проблемы достигается посредством уменьшения размеров элементов и сокращения времени пролета носителей заряда, а также путем поиска эффективных механизмов, обеспечивающих их функционирование. Например, для диодов с междолинным переносом электронов (МПЭ) уменьшение вре- мени начального набора энергии, необходимой для перехода в боковые долины зоны проводи- мости, достигается посредством формирования специального катодного контакта, например, n−–n-контакта с большой напряженностью элект- рического поля [1], или использованием гетеро- структур [2]. Более сложной задачей является уменьшение времени перехода электрона из бо- ковых долин зоны проводимости в центральную (обратные переходы), которое, как правило, пре- вышает время прямого перехода. На сегодняшний день практически единственным способом реше- ния данной проблемы является поиск материалов, в которых указанные времена минимальны. По этим параметрам наиболее подходящими яв- ляются азотосодержащие соединения (GaN, AlN, InN и т. д.). Большинство нитридов – прямозон- ные полупроводники, причем эффективная масса электрона в боковых долинах зоны проводимости больше по сравнению с эффективной массой в центральной долине, а минимумы боковых долин достаточно удалены от центральной долины, что приводит к выраженному МПЭ. Время перехода электронов из центральной долины в боковые мало. Например, в GaN оно составляет ∼ 2⋅10–13 с, что на порядок меньше, чем в GaAs, который тра- диционно используется для диодов Ганна. Целый ряд полезных качеств нитридных соединений делают их перспективными материа- лами как для создания диодов с МПЭ, способных генерировать электромагнитные колебания в тера- герцевом диапазоне [3, 4], так и других активных элементов, обладающих высоким быстродействием. Одним из интересных эффектов в прибо- рах на основе широкозонных материалов, в том числе и нитридных соединений, является удар- ная ионизация (УИ). Время развития УИ в широ- козонных материалах может принимать значения порядка 10–14 с [5], что делает этот механизм привлекательным при конструировании актив- ных элементов терагерцевого диапазона. Ударная ионизация наблюдается в основном в длинных диодах в десятки и сотни микрон. Однако она возможна и в достаточно коротких диодах при высоких импульсных перенапряжениях. Напри- мер, УИ может возникать в диодах на основе GaN с длиной активной области менее 0,3 мкм [5]. В этом случае длина диода соизмерима с харак- терными длинами релаксации носителей по им- пульсу и энергии. Целью данной работы является исследо- вание особенностей развития УИ в коротких дио- дах и изучение ее влияния на формирование их характеристик. 1. Структура диодов и математическая модель их анализа. Рассматриваемые диоды представляют собой n+–n−–n–n+-структуры с об- щей длиной 640=L нм и длиной активной облас- ти (n-область) менее 300 нм. Концентрации носи- телей заряда в n–- и n-областях различаются более чем на порядок. В результате на границе раздела n−- и n-областей формируется стабильная область с большой напряженностью электрического поля (статический домен), способствующая развитию УИ в диоде. mailto:oleg.botsula@mail.ru О. В. Боцула и др. / Ударная ионизация в коротких… _________________________________________________________________________________________________________________ 84 Ударная ионизация в коротких диодах имеет ряд особенностей. Во-первых, в них ярко проявляется ее нелокальный характер, а во- вторых, в таких диодах УИ в большей степени зависит от энергии электрона, чем от величины напряженности электрического поля [6]. В таких условиях можно оказывать влияние на развитие УИ путем формирования соответствующего про- филя потенциальной энергии за счет использова- ния различных полупроводниковых материалов (рис. 1). Рис. 1. Профиль легирования (а), распределение состава AlzGa1–zN по длине диода z(x) (б–г) С этой целью рассматривались диоды на основе соединения AlzGa1–zN с однородным и неоднородным распределением состава z(x) (рис. 1, б–г, кривые 1–8). Для корректного учета инерционных и нелокальных эффектов, связанных с изменением энергии электронов в столь коротких диодах, мо- делирование процесса переноса носителей заряда проводилось с использованием многочастичного метода Монте-Карло. Была рассмотрена трех- долинная модель зоны проводимости с учетом нижней Г- и верхних Г1- и M–L-долин. Закон дис- персии электронов Ee(k) взят в виде: ( ) ∗ =+ m kEE ee 2 1 22α , (1) где α – коэффициент непараболичности; ∗m – эффективная масса электрона;  – редуцирован- ная постоянная Планка. Валентная зона учитыва- лась зоной тяжелых дырок ГV1. Все аспекты моделирования электронов выбраны аналогично работам [7, 8]. Значения параметров AlzGa1–zN, исполь- зуемых при моделировании, приведены в таблице. Параметр AlzGa1–zN Постоянная решетки, Å 3,189–0,089z Плотность, кг/м3 (6,15–2,92z)⋅1000 Статическая диэлектрическая постоянная 8,9–0,5z Высокочастотная диэлектриче- ская постоянная 5,35–0,58z Энергия полярных оптических фононов, эВ 0,092+0,0113z Скорость звука, м/с 6560+2500z Акустический де- формационный потенциал, эВ Г 10,1 Г1 10,1 M–L 10,1 ГV1 10,1 Эффективная масса, m∗/me Г 0,2+0,11z Г1 0,4 M–L 0,6–0,1z ГV1 1 Энергетические минимумы долин, эВ Г 3,5+2,65z+0,05z2 Г1 5,4+1,3z M–L 5,5+1,4z Коэффициент непа- раболичности, эВ–1 Г (1–mГ *)2/εГ Г1 0,065 M–L 0,029 ГV1 0 Междолинный де- формационный по- тенциал, эВ/м Г–Г1 1011 Г– M–L 1011 Г1– M–L 1011 ML–ML 1011 Энергия междолинных фононов, эВ 0,06584+0,009915z Электронное сродство, эВ 3,58+0,49z Пьезоэлектрическая постоян- ная, Кл/м2 0,033+0,061z Оптический деформационный потенциал, эВ/м 0,9 Энергия оптических фононов, эВ 0,092+0,0113z Число эквивалент- ных долин Г 1 Г1 1 M–L 6 Nd(x) Nd1 Nd4 Nd3 Nd2 z(x) 0,45 0,12 0 z(x) 0,45 0,12 0 z(x) 0,45 0,12 0 а) б) в) x x x x 1 2 3 4 5 6 7 8 0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 L г) 0 0 0 x x О. В. Боцула и др. / Ударная ионизация в коротких… _________________________________________________________________________________________________________________ 85 Учитывались рассеяние на деформаци- онном потенциале акустических и оптических фононов, полярное оптическое рассеяние, рассея- ние на ионизированных примесях и сплавном потенциале (в AlzGa1–zN). Процессы рассеяния рассматривались в рамках изотропной аппрокси- мации. Особенностью использованной модели являлся учет различия свойств материала в каж- дой ячейке пространственной дискретизации. Уравнения для эволюции во времени коорди- наты r  и волнового вектора электрона k  в такой структуре определяются уравнениями [8]: ( ) ( )tp m m tp dt rd 221 ∗ ∗ + = α  ; (2) ( )( ) ( ) e ee C E mEm m ExEe dt pd α α ϕ 21+ ∇+∇ +∆+∇−= ∗∗ ∗  , (3) где e – заряд электрона; ϕ – электростатический потенциал, определяемый путем решения дву- мерного уравнения Пуассона с помощью много- сеточного метода. Ударная ионизация учитывает- ся аналогично работе [7]. Параметры полупро- водника соответствуют работам [7, 9]. Чтобы обеспечить указанный выше поря- док расположения долин зоны проводимости во всех частях диода, молярная доля Al в соедине- нии AlzGa1–zN выбиралась в диапазоне 0…0,45, что соответствует изменению ширины запрещен- ной зоны 3,5…4,69 эВ (рис. 2). 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0 1 2 3 4 5 6 EV1 EM–L EΓ1 EΓ E, эВ z Рис. 2. Положение долин зоны проводимости и валентной зоны в зависимости от молярной доли z(x) в AlzGa1–zN Рассматривались три однородных по составу диода с молярной долей алюминия 45,0=z ; 0,12; 0 (рис. 1, б, кривые 1–3). Для структур с неоднородным составом (рис. 1, в, г) область в промежутке от 0 до x4 представляет собой полупроводник Al0,45Ga0,55N. В структурах, представленных кривыми 4, 5 (рис. 1, в), в точке x4 расположен гетеропереход, за которым следует однородный по составу слой. При выбранных значениях z по обе стороны гетеро- перехода величина разрыва зоны проводимости в гетеропереходе равна: для диода 4 – 87,0=∆ CE эВ; для диода 5 – 19,1=∆ CE эВ. В структурах, представленных на рис. 1, в кривыми 6, 7, содержание алюминия в соедине- нии AlzGa1–zN при 4xx > монотонно убывает (ва- ризонный слой). Этот вариант диода интересен тем, что при соответствующих условиях за счет квазиэлектрических полей варизонного слоя дыр- ки в полупроводнике n-типа могут двигаться к аноду аналогично электронам [10]. Последний вариант диода (рис. 1, г, рас- пределение 8) содержит как гетеропереход, так и варизонный слой. Для всех рассмотренных вариантов дио- дов: длина области пониженной концентрации составила 80 нм; 1401 =x нм; 1602 =x нм; 2403 =x нм; 2604 =x нм; 2805 =x нм; 5006 =x нм; 18 1 10=dN см–3; 14 2 10=dN см–3; 17 3 105 ⋅=dN см–3; 18 4 10=dN см–3 (рис. 1, а). 2. Статические характеристики дио- дов. Проводящие свойства рассмотренных дио- дов определяются двумя факторами: свойствами статического катодного домена и УИ. До начала УИ все приложенное к диоду напряжение падает в области катодного домена. На рис. 3 приведены распределения напряженности электрического поля в диодах с различным составом, полученные без учета и с учетом УИ при напряжении 20 В. Кривые 1, 2 соответствуют однородному по со- ставу диоду на основе Al0,45Ga0,55N, кривые 3, 4 – диоду с варизонным слоем (рис. 1, г, распределе- ние 7), кривые 5, 6 – диоду с гетеропереходом (рис. 1, в, распределение 5). 0 100 200 300 400 500 600 0 200 400 600 800 6 4 3 2 5 E, к В/ см x, нм 1 Рис. 3. Распределение электрического поля в диоде при на- пряжении U = 20 В и различных законах распределения соста- ва z(x): сплошная линия – без учета УИ, прерывистая линия – с учетом УИ Максимальное электрическое поле для всех рассмотренных диодов располагается на границе n−–n-областей. Однако распределение поля имеет существенные качественные отличия. Так, для однородного по составу диода катодный 4 3 5 6 1 2 О. В. Боцула и др. / Ударная ионизация в коротких… _________________________________________________________________________________________________________________ 86 статический домен расширяется в сторону анод- ного контакта, в результате чего происходит заполнение доменом всего пространства между n−–n-переходом и анодом. Таким образом, можно говорить о том, что в однородных по составу ко- ротких диодах очень трудно локализовать домен у n−–n-перехода, а значит, и использовать эту область для разогрева электронного газа. На рис. 4 показаны графики зависимости плотности тока от напряжения для однородных по составу AlzGa1–zN-диодов с молярной долей алюминия 45,0=z ; 0,12; 0. 0 10 20 0 4·106 3·106 2·106 1·106 J, А/ см 2 U, В 1,2 3,4 5 6 Рис. 4. Графики зависимости плотности тока от напряжения для однородных AlzGa1–zN-диодов с молярной долей Al: кри- вые 1, 2 – z = 0,45; кривые 3, 4 – z = 0,12; кривые 5, 6 – z = 0; кривые 1, 3, 5 – без УИ; кривые 2, 4, 6 – с УИ Из приведенных графиков видно, что в AlzGa1–zN-диодах в выбранном диапазоне прило- женных напряжений УИ проявляется только в диоде на основе GaN, в котором ширина запре- щенной зоны наименьшая. Как следует из рис. 3, из всех рассмот- ренных диодных структур наилучшая локализа- ция домена наблюдается в диоде с гетероперехо- дом (рис. 4, кривые 5, 6). На рис. 5 показаны гра- фики зависимости плотности тока от напряжения для диодов с гетеропереходом и для сравнения приведены характеристики однородных по соста- ву AlzGa1–zN-диодов. 0 10 20 0 3·106 2·106 1·106 8 7 5,6 3,4 1,2 U, В J, А/ см 2 Рис. 5. Графики зависимости плотности тока от напряжения для AlzGa1–zN-диодов с молярной долей Al: кривые 1, 2 – z = 0,45; кривые 3, 4 – z = 0,12; кривые 1, 3, 5, 7 – без УИ; кривые 2, 4, 6, 8 – с УИ Кривые 5, 6 соответствуют диоду с гетеро- переходом Al0,45Ga0,55N/Al0,12Ga0,88N (рис. 1, в, распределение 4), кривые 7, 8 – диоду с гетеро- переходом Al0,45Ga0,55N/GaN (рис. 1, в, распреде- ление 5). Видно, что плотность тока в диодах с гетеропереходом не превышает величину плот- ности тока в однородных по составу диодах на основе Al0,12Ga0,88N и при малых напряжениях соответствует плотности тока Al0,45Ga0,55N-диода. По мере увеличения напряжения и разогрева электронного газа различие в характеристиках растет. Наиболее существенные отличия наблю- даются в характеристиках диода с гетероперехо- дом Al0,45Ga0,55N/GaN, в котором отмечается рост тока, обусловленный УИ, и самый низкий порог развития УИ среди всех рассмотренных структур. По степени локализации поля, как видно из рис. 3, диоды с варизонным слоем занимают промежуточное положение между диодом с одно- родным составом и диодами с гетеропереходом. На рис. 6 показаны графики зависимости плотности тока от напряжения для диодов с вари- зонным слоем (рис. 1, г, распределения 6, 7) и диода с варизонным слоем и гетеропереходом (рис. 1, г, распределение 8), а для сравнения при- ведены характеристики однородного по составу Al0,45Ga0,55N-диода (кривая 1) и диода с гетеро- переходом Al0,45Ga0,55N/GaN (кривые 6, 7). 0 10 20 0 2·106 1·106 7 5 46 3 2 J, А/ см 2 U, В 1 Рис. 6. Графики зависимости плотности тока от напряжения: кривые 1–4, 6 – без УИ; кривые 5, 7 – с УИ Кривая 2 соответствует диоду с варизон- ным слоем Al0,45Ga0,55N–Al0,12Ga0,88N, кривая 3 – диоду с варизонным слоем Al0,45Ga0,55N–GaN (в обоих случаях УИ не наблюдается). Существенным моментом для диодов с варизонным слоем является отсутствие УИ. В тоже время УИ наблюдается в диоде с вари- зонным слоем и гетеропереходом (рис. 6, распре- деления 4, 5). 3. Нелокальные эффекты и энергети- ческое распределение электронов. Нелокаль- ность УИ, связанная с набором электроном энер- О. В. Боцула и др. / Ударная ионизация в коротких… _________________________________________________________________________________________________________________ 87 гии, а также с введением гетероперехода и (или) варизонного слоя, приводит к тому, что УИ в рас- сматриваемом диоде возникает за областью с максимальной напряженностью электрического поля катодного статического домена, а ее поло- жение определяется законом распределения состава z(x). На рис. 7 показано распределение по длине диода числа актов УИ, выраженное в отно- сительных единицах (число актов УИ, деленное на максимальное число актов среди всех рас- смотренных структур). Число актов УИ макси- мально в диоде с однородным составом (кривая 1) и превышает число актов в диоде с гетероперехо- дом (кривая 2). Однако в первом диоде УИ воз- никает в анодной области, где сопротивление диода минимально, и вызывает меньший рост тока, чем во втором диоде. 0 100 200 300 400 500 600 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 4 5,6,73 2 x, нм 1 N, о тн . е д. Рис. 7. Распределение по длине диода числа актов УИ в диодах, U = 25 В: кривая 1 – однородный на основе GaN; кривая 2 – с ге- теропереходом Al0,45Ga0,55N/GaN; кривая 3 – с варизонным слоем и гетеропереходом; кривая 4 – с гетеропереходом Al0,45Ga0,55N/ Al0,12Ga0,88N; кривые 5–7 – остальные диоды Очевидно, что интенсивность УИ и по- ложение области, в которой она происходит, можно контролировать за счет выбора закона из- менения состава в диодной структуре. Распределение кинетической энергии электронов и средней энергии в Г-долине и верх- них долинах для диода с гетеропереходом Al0,45Ga0,55N/GaN приведено на рис. 8 (в верхней части – без учета УИ, в нижней части – с учетом УИ). В диоде с гетеропереходом набор элект- ронами энергии, необходимой для УИ, происхо- дит в домене сильного поля на длине порядка 100…150 нм (∼ 300 нм от катода). На большем удалении от катода УИ уменьшает число бал- листических электронов, пролетающих через диод без столкновений, и тем самым уменьшает среднюю энергию в Г-долине. На расстояниях более чем 350 нм от ка- тода, что совпадает с центром области с макси- мальной интенсивностью УИ (рис. 7, кривая 2), заметно уменьшение средней кинетической энер- гии электрона в верхней долине зоны проводи- мости. Происходит остывание электронного газа, что говорит о том, что в рассмотренных коротких диодах УИ играет роль механизма релаксации энергии электронов, альтернативного междолин- ному рассеянию. Рис. 8. Распределение кинетической энергии электронов и средней кинетической энергии в Г-долине (прерывистая ли- ния) и верхних долинах (сплошная линия) Выводы. Таким образом, в результате проведенных расчетов показано, что в коротких (с длиной активной области менее 300 нм) диодах на основе AlzGa1–zN с неоднородным распределе- нием состава возможно получение локализован- ной области с высокой напряженностью электри- ческого поля, достаточной для возникновения УИ. Наилучшие результаты по возникнове- нию УИ получены для диода с гетеропереходом, в котором разрыв зоны проводимости макси- мальный. В рассмотренных диодах УИ носит локальный характер и не приводит к лавинному пробою. Сочетая резкие гетеропереходы с вари- зонными областями, можно влиять на интенсив- ность и положение области локализации УИ. Это создает возможность формирования необходимо- го фазового сдвига между током и напряжением, что может быть использовано для получения генерации электромагнитных колебаний, в том числе и в диодах с МПЭ. Наиболее перспективно использование варизонных структур, которые могут обеспечить однонаправленный вывод электронов и дырок в анод, что даст возможность избежать накопления дырок в активной области и способствовать бы- строму восстановлению состояния диода до 0 100 200 300 400 500 600 x, нм 8 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 600 x, нм E k , э В 8 6 4 2 0 E k , э В О. В. Боцула и др. / Ударная ионизация в коротких… _________________________________________________________________________________________________________________ 88 предпробойного. Для этих целей больше подходят нитридные соединения, содержащие In (InzAl1–zN, InzGa1–zN). Структуры на основе таких соедине- ний, аналогичные рассмотренным, являются более сложными для анализа и будут рассмотрены в дальнейшем. Библиографический список 1. Monte-Carlo simulation of diodes with a cathode static do- main / E. D. Prokhorov, O. V. Botsula, A. V. Dyadchenko, I. A. Gorbunov // 23rd Int. Crimean Conf. Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo 2013): proc. – 2013. – Vol. 1. – P. 139–140. 2. Botsula O. V. Heterostructure-based diode with the cathode static domain / O. V. Botsula, K. H. Prykhodko // 9th Int. Kharkiv Symp. on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW 2016): proc. – 2016. – P. E25(1)–E25(4). 3. Aleskseev E. Microwave potential for GaN-based Gunn devices / E. Aleskseev, D. Pavlidis // Electronic Lett. – 2000. – 36, N 2. – P. 176–178. 4. Large-signal analysis of terahertz generation in submicrome- ter GaN Diodes / E. A. Barry, V. N. Sokolov, K. W. Kim, R. J. Trew // IEEE Sensors Journal. – 2010. – 10, Iss. 2. – P. 765–771. 5. Acharyya A. Potentiality of IMPATT Devices as THz Source / A. Acharyya, J. P. Banerjee // IETE J. Res. – 2013. – 59, Iss. 2. – P. 118–127. 6. Levinshtein M. Breakdown phenomena in semiconductoes and semiconductors devises / M. Levinshtein, J. Kostamovaara, S. Vainshtein // Selected topics of electronic and system. – 36. – Singapore: World Scientific Publ., 2005. – 208 p. 7. Influence of impact ionization on oscillation efficiency of short GaN-based diodes / O. V. Botsula, E. D. Prokhorov, D. S. Svergun, K. H. Prykhodko // 24th Int. Crimean Conf. Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo 2014): proc. – 2014. – Vol. 1. – P. 143–144. 8. Botsula O. V. Static Characteristics of the Graded Gap and Heterojunction Diodes Containing the Cathode Static Domain / O. V. Botsula, K. H. Prykhodko // 8th Int. Conf. on Ultrawide- band and Ultrashort Impulse Signals (UWBUSIS 2016): proc. – P. 163–166. 9. Vurgaftman I. Band parameters for III–V compound semi- conductors and their alloys / I. Vurgaftman, J. R. Meyer, L. R. Ram-Mohan // J. Appl. Phys. – 2001. – 89, N 11. – P. 5815–5875. 10. Ильин В. И. Квазиэлектрические поля в полупроводниках и полупроводниковых структурах / В. И. Ильин // Соров- ский образовательный журн. – 2001. – 7, № 11. – С. 109–115. Рукопись поступила 14.11.2016. O. V. Botsula, К. H. Pryhodko, V. A. Zozulia IMPACT IONIZATION IN SHORT ALZGA1–ZN-BASED DIODES The development of millimeter and terahertz wave ranges is one of the main objectives of radiophysics. However, there are not many active elements that can operate in those ranges. Impact ionization in wide gap semiconductors is a fast process and can be used in active elements operating in these ranges. In this paper the charge transfer in short diodes (the length of the active area is less than 0.3 µ) is considered. The purpose of the study is to determine the appearance conditions and peculiari- ties of impact ionization. The influence of impact ionization on devises characteristics is determined. The possibility of creating localized high electric field region is shown. The field magnitude is enough for obtaining impact ionization. It is a possibility to operate the impact ionization by changing the AlzGa1–zN composi- tion distribution along the diode. The result of the study is the determination of properties of impact ionization in the proposed structures. They can be used for further detailed analysis of physi- cal processes of the structures and their manufacturing. Key words: diodes, impact ionization, heterojunction, graded gap layer, domain, electric field strength, impedance. О. В. Боцула, К. Г. Приходько, В. О. Зозуля УДАРНА ІОНІЗАЦІЯ В КОРОТКИХ ДІОДАХ НА ОСНОВІ AlzGa1–zN Освоєння міліметрового і терагерцового діапазонів є однією із актуальних задач радіофізики. Проте на сьогодні набір активних елементів, що здатні працювати у вказаних діапазонах, є обмеженим. Ударна іонізація в широкозонних нітридних сполуках представляє собою швидкоплинний про- цес і може бути використана в активних елементах зазначених діапазонів. У цій роботі досліджується перенессення заряду в коротких (з довжиною активної області менше 0,3 мкм) діод- них структурах на основі AlzGa1–zN з метою визначення умов виникнення та особливостей ударної іонізації, а також її вплив на характеристики приладів. Показано можливість отримання локалізованої області з високою напруженістю електричного поля, достатньою для виникнення ударної іонізації та керу- вання нею шляхом зміни розподілу складу AlzGa1–zN по дов- жині діода. Результатами досліджень є визначення основних закономірностей розвитку ударної іонізації в запропонованих діодних структурах. Вони є орієнтиром для подальшого деталь- ного аналізу фізичних процесів та практичної реалізації таких структур. Ключові слова: діоди, ударна іонізація, гетеро- перехід, варизонний шар, домен, напруженість електричного поля. О. В. Боцула, К. Г. Приходько, В. А. Зозуля Monte-Carlo simulation of diodes with a cathode static domain / E. D. Prokhorov, O. V. Botsula, A. V. Dyadchenko, I. A. Gorbunov // 23rd Int. Crimean Conf. Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo 2013): proc. – 2013. – Vol. 1. – P. 139–140.

Ударная ионизация в коротких диодах на основе AlzGa1–zN

Репозитарії

Схожі ресурси