Моделювання динамічних властивостей iii-нітридів у сильних електричних полях

Автор(и)

  • Костянтин Вячеславович Куліков Національний технічний університет України "Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0001-9743-0047
  • Володимир Олександрович Москалюк Національний технічний університет України "Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0002-2753-0744
  • Володимир Іванович Тимофєєв Національний технічний університет України "Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0003-0515-1580

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.225733

Ключові слова:

III-нітриди, механізми розсіювання, релаксація, балістичний транспорт, динамічні характеристики, гранична частота

Анотація

Запропоновано метод моделювання динамічних властивостей багатодолинних напівпровідників. Модель застосована до 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. На відміну від традиційної системи рівнянь для концентрації носіїв, їх імпульсу і енергії використано замість рівняння релаксації енергії рівняння для електронної температури як міри енергії тільки хаотичного руху. Часи релаксації визначаються не як інтегральні значення із статичних характеристик матеріалу, а використано усереднення квантовомеханічних швидкостей для окремих видів розсіювання. Усереднення проводилося за максвеллівською функцією розподілу в наближенні електронної температури, в результаті чого враховуються різні механізми розсіювання носіїв через специфічні часи релаксації. Система рівнянь включає рівняння в частинних похідних за часом і координатами, що дає можливість досліджувати імпульсні властивості розглянутих матеріалів. Зокрема, динамічний ефект «сплеску» дрейфової швидкості і просторовий «балістичний транспорт» носіїв.

Розглядається використання перетворення Фур’є імпульсної залежності дрейфової швидкості носіїв для обчислення максимальних частот провідності. Показано, що граничні частоти складають сотні гігагерців, а для нітриду алюмінію перевищують тисячу гігагерців

Біографії авторів

Костянтин Вячеславович Куліков , Національний технічний університет України "Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського"

Кафедра електронної інженерії

Володимир Олександрович Москалюк , Національний технічний університет України "Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського"

Кандидат технічних наук, професор

Кафедра електронної інженерії

Володимир Іванович Тимофєєв , Національний технічний університет України "Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського"

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра електронної інженерії

Посилання

  1. Siddiqua, P., Wang, Y., Shur, M. S., O’Leary, S. K. (2019). Empirical model for the velocity-field characteristics of semiconductors exhibiting negative differential mobility. Solid State Communications, 299, 113658. doi: https://doi.org/10.1016/j.ssc.2019.113658
  2. Smolin, V. K. (2016). High-Frequency Microelectronics Based on Silicon Substrate Structures. Journal of Nano and Microsystem Technique,, 18 (11), 713–717. Available at: http://www.microsystems.ru/files/full/mc201611.pdf
  3. Encomendero, J., Jena, D., Xing, H. G. (2019). Resonant Tunneling Transport in Polar III-Nitride Heterostructures. High-Frequency GaN Electronic Devices, 215–247. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-20208-8_8
  4. Guo, W., Zhang, M., Bhattacharya, P., Heo, J. (2011). Auger Recombination in III-Nitride Nanowires and Its Effect on Nanowire Light-Emitting Diode Characteristics. Nano Letters, 11 (4), 1434–1438. doi: https://doi.org/10.1021/nl103649d
  5. Arafin, S., Liu, X., Mi, Z. (2013). Review of recent progress of III-nitride nanowire lasers. Journal of Nanophotonics, 7 (1), 074599. doi: https://doi.org/10.1117/1.jnp.7.074599
  6. Saxena, D., Mokkapati, S., Jagadish, C. (2012). Semiconductor Nanolasers. IEEE Photonics Journal, 4 (2), 582–585. doi: https://doi.org/10.1109/jphot.2012.2189201
  7. Maekawa, T., Kanaya, H., Suzuki, S., Asada, M. (2016). Oscillation up to 1.92 THz in resonant tunneling diode by reduced conduction loss. Applied Physics Express, 9 (2), 024101. doi: https://doi.org/10.7567/apex.9.024101
  8. Oshima, N., Hashimoto, K., Suzuki, S., Asada, M. (2016). Wireless data transmission of 34 Gbit/s at a 500‐GHz range using resonant‐tunnelling‐diode terahertz oscillator. Electronics Letters, 52 (22), 1897–1898. doi: https://doi.org/10.1049/el.2016.3120
  9. Asada, M., Suzuki, S. (2016). Room-Temperature Oscillation of Resonant Tunneling Diodes close to 2 THz and Their Functions for Various Applications. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 37 (12), 1185–1198. doi: https://doi.org/10.1007/s10762-016-0321-6
  10. Shur, M. S. (1987). GaAs devices and circuits. Springer, 670. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4899-1989-2
  11. Foutz, B. E., O’Leary, S. K., Shur, M. S., Eastman, L. F. (1999). Transient electron transport in wurtzite GaN, InN, and AlN. Journal of Applied Physics, 85 (11), 7727–7734. doi: https://doi.org/10.1063/1.370577
  12. Feng, Z. C. (2006). III-Nitride Semiconductor Materials. World Scientific Publishing Co., 440. doi: https://doi.org/10.1142/p437
  13. Ohta, H., Okamoto, K. (2009). Nonpolar/Semipolar GaN Technology for Violet, Blue, and Green Laser Diodes. MRS Bulletin, 34 (5), 324–327. doi: https://doi.org/10.1557/mrs2009.94
  14. Hockney, R. W., Eastwood, J. W. (1988). Computer simulation using particles. CRC Press, 540.
  15. Moskalyuk, V. A., Timofeev, V. I., Fedyay, A. V. (2014). Bystrodeystvuyuschie pribory elektroniki. Ch. 1. LAP LAMBERT Academic Publishing, 240.
  16. Adachi, S. (2009). Properties of Semiconductor Alloys: Group‐IV, III–V and II–VI Semiconductors. John Wiley & Sons, Ltd. doi: https://doi.org/10.1002/9780470744383
  17. Bokula, O., Prohorov, E. (2011). Chastotnye svoystva mezhdolinnogo perenosa v nitride galliya. Tehnika i pribory SVCh, 1, 24–28.
  18. Seeger, K. (1973). Semiconductor Physics. Springer, 514. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-7091-4111-3
  19. Kulikov, K., Baida, I., Moskaliuk, V., Timofeyev, V. (2018). Conductance Cutoff of A3B5 Nitrides at High-Frequency Region. 2018 IEEE 38th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO). doi: https://doi.org/10.1109/elnano.2018.8477497
  20. Kulikov, K. V., Moskaliuk, V. O., Tymofieiev, V. I. (2019). High-Frequency Properties of GaN, AlN and InN in Strong Fields. Microsystems, Electronics and Acoustics, 24 (3), 20–32. doi: https://doi.org/10.20535/2523-4455.2019.24.3.178841
  21. Asif Khan, M., Kuznia, J. N., Bhattarai, A. R., Olson, D. T. (1993). Metal semiconductor field effect transistor based on single crystal GaN. Applied Physics Letters, 62 (15), 1786–1787. doi: https://doi.org/10.1063/1.109549
  22. Moskalyuk, V. A., Kulikov, K. V. (2009). Chastotnye svoystva nitrida galliya v sil'nom elektricheskom pole. Visnyk Derzhavnoho universytetu informatsiyno-komunikatsiynykh tekhnolohiy, 7 (3), 306–309.
  23. Prohorov, E. D., Beletskiy, N. I. (1982). Poluprovodnikovye materialy dlya priborov s mezhdolinnym perenosom. Kharkiv: Vyscha shkola, 144.
  24. Botsula, O. V. (2010). Chastotnye svoystva mezhdolinnogo perenosa elektronov v ALN. Visnyk Kharkivskoho natsionalnoho universytetu imeni V.N. Karazina. Seriya: Radiofizyka ta elektronika, 927 (16), 7–10. Available at: http://ekhnuir.univer.kharkov.ua/bitstream/123456789/7172/2/927-4.pdf
  25. Botsula, O. V. (2010). Chastotnye svoystva mezhdolinnogo perenosa elektronov v InN. Visnyk Kharkivskoho natsionalnoho universytetu imeni V.N. Karazina. Seriya: Radiofizyka ta elektronika, 942 (17), 67–70. Available at: http://dspace.univer.kharkov.ua/bitstream/123456789/7206/2/942-10.pdf
  26. Kulikov, K., Moskaliuk, V., Timofeev, V. (2017). High-frequency conductance cutoff of gallium nitride. 2017 ІЕЕЕ International conference of information-telecommunication technologies and radio electronics (UkrMiCo’2017), 317–319.
  27. Bonch-Bruevich, V. L., Kalashnikov, S. G. (1990). Fizika poluprovodnikov. Moscow: Nauka, 688.
  28. Vurgaftman, I., Meyer, J. R., Ram-Mohan, L. R. (2001). Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys. Journal of Applied Physics, 89 (11), 5815–5875. doi: https://doi.org/10.1063/1.1368156
  29. Vurgaftman, I., Meyer, J. R. (2003). Band parameters for nitrogen-containing semiconductors. Journal of Applied Physics, 94 (6), 3675–3696. doi: https://doi.org/10.1063/1.1600519
  30. Kasap, S., Capper, P. (Eds.) (2017). Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials. Springer, 1536. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9
  31. Ivaschenko, V. M., Mitin, V. V. (1990). Modelirovanie kineticheskih yavleniy v poluprovodnikah. Kyiv: Naukova dumka, 192.
  32. Matulenis, A., Pozhela, Yu., Reklaytis, A. (1978). Dinamika razogreva elektronov. V kn. Mnogodolinnye poluprovodniki. Vil'nyus, 204.
  33. Moskaliuk, V. O. (2004). Fizyka elektronnykh protsesiv. Dynamichni protsesy. Kyiv: IVTs Vyd. «Politekhnika», 180.
  34. Danilin, V., Zhukova, T. (2005). Tranzistory na GaN poka samiy krepkiy oreshek. Elektronika: nauka, tehnologii, biznes, 26 (4), 20–28.

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-02-26

Як цитувати

Куліков , К. В., Москалюк , В. О. ., & Тимофєєв , В. І. (2021). Моделювання динамічних властивостей iii-нітридів у сильних електричних полях. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(5 (109), 37–52. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.225733

Номер

Том 1 № 5 (109) (2021): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Константин Вячеславович Куликов , Владимир Александрович Москалюк , Владимир Иванович Тимофеев

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.