Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна
В данном исследовании, во-первых, предлагается идея уменьшить потребляемую мощности и повысить эффективность диодов Ганна, во-вторых, проведены численные эксперименты по генерации с помощью диодов Ганна на основе варизонного AlInN, в-третьих, оптимизированы параметры и получены выходные характеристи...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Дата: | 2013 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2013
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105981 |
| 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: | Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна / М.В. Кайдаш // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 2. — С. 71-76. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105981 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кайдаш, М.В. 2016-09-14T05:53:19Z 2016-09-14T05:53:19Z 2013 Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна / М.В. Кайдаш // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 2. — С. 71-76. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105981 621.382.2 В данном исследовании, во-первых, предлагается идея уменьшить потребляемую мощности и повысить эффективность диодов Ганна, во-вторых, проведены численные эксперименты по генерации с помощью диодов Ганна на основе варизонного AlInN, в-третьих, оптимизированы параметры и получены выходные характеристики диодов с разными катодными контактами в широком диапазоне частот. У даному дослідженні, по-перше, пропонується ідея зменшення споживаної потужності і підвищення ефективності діодів Ганна, по-друге, проведено числові експерименти по генерації за допомогою діодів Ганна на основі варизонного AlInN, в-третіх, оптимізовано параметри й отримано вихідні характеристики діодів з різними катодними контактами в широкому діапазоні частоту The paper presents the following results: firstly, we have proposed the idea how to reduce power consumption and to increase the Gunn diodes efficiency; secondly, we have carried out the numerical experiments on the generation of oscillations by means of Gunn diodes based on graded-gap AlInN, and thirdly, we have optimized the parameters and got the output characteristics of diodes with different cathode contacts in a wide range of frequencies. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Вакуумная и твердотельная электроника Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна Характеристики варизонних AlInN дiодiв Ганна Characteristics of AlInN graded-gap Gunn diodes Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна |
| spellingShingle |
Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна Кайдаш, М.В. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title_short |
Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна |
| title_full |
Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна |
| title_fullStr |
Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна |
| title_full_unstemmed |
Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна |
| title_sort |
характеристики варизонных alinn диодов ганна |
| author |
Кайдаш, М.В. |
| author_facet |
Кайдаш, М.В. |
| topic |
Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet |
Вакуумная и твердотельная электроника |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Радіофізика та електроніка |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Характеристики варизонних AlInN дiодiв Ганна Characteristics of AlInN graded-gap Gunn diodes |
| description |
В данном исследовании, во-первых, предлагается идея уменьшить потребляемую мощности и повысить эффективность диодов Ганна, во-вторых, проведены численные эксперименты по генерации с помощью диодов Ганна на основе варизонного AlInN, в-третьих, оптимизированы параметры и получены выходные характеристики диодов с разными катодными контактами в широком диапазоне частот.
У даному дослідженні, по-перше, пропонується ідея зменшення споживаної потужності і підвищення ефективності діодів Ганна, по-друге, проведено числові експерименти по генерації за допомогою діодів Ганна на основі варизонного AlInN, в-третіх, оптимізовано параметри й отримано вихідні характеристики діодів з різними катодними контактами в широкому діапазоні частоту
The paper presents the following results: firstly, we have proposed the idea how to reduce power consumption and to increase the Gunn diodes efficiency; secondly, we have carried out the numerical experiments on the generation of oscillations by means of Gunn diodes based on graded-gap AlInN, and thirdly, we have optimized the parameters and got the output characteristics of diodes with different cathode contacts in a wide range of frequencies.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105981 |
| citation_txt |
Характеристики варизонных AlInN диодов Ганна / М.В. Кайдаш // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 2. — С. 71-76. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kaidašmv harakteristikivarizonnyhalinndiodovganna AT kaidašmv harakteristikivarizonnihalinndiodivganna AT kaidašmv characteristicsofalinngradedgapgunndiodes |
| first_indexed |
2025-11-24T16:28:13Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:28:13Z |
| _version_ |
1850485925390319616 |
| fulltext |
ВВААККУУУУММННААЯЯ ИИ ТТВВЕЕРРДДООТТЕЕЛЛЬЬННААЯЯ ЭЭЛЛЕЕККТТРРООННИИККАА
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2013. Т. 4(18). № 2 © ИРЭ НАН Украины, 2013
УДК 621.382.2
М. В. Кайдаш
Национальный фармацевтический университет
53, ул. Пушкинская, Харьков, 61002, Украина
E-mail: storozhenko.igor@gmail.com
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАРИЗОННЫХ AlInN ДИОДОВ ГАННА
По своим свойствам полупроводниковые нитриды являются перспективными материалами для быстродействующих
твердотельных электронных приборов, в том числе работающих на эффекте междолинного переноса электронов. Однако, из-за
ряда причин, в частности, большой потребляемой мощности и сложности отвода тепла из активной области прибора, в научной
литературе отсутствуют сведения об экспериментальной генерации электромагнитных колебаний с помощью диодов Ганна на
основе GaN или InN. В данном исследовании, во-первых, предлагается идея уменьшить потребляемую мощности и повысить эф-
фективность диодов Ганна, во-вторых, проведены численные эксперименты по генерации с помощью диодов Ганна на основе ва-
ризонного AlInN, в-третьих, оптимизированы параметры и получены выходные характеристики диодов с разными катодными кон-
тактами в широком диапазоне частот. Работа диодов рассмотрена для гармонического и бигармонического режимов работы.
Исследование показало, что варизонные AlInN диоды Ганна превосходят однотипные InN и AlN диоды по эффективности генера-
ции, выходной мощности и предельной рабочей частоте, которая составила 0,9÷1,3 ТГц при длине активной области 0,15 мкм.
Потребляемая мощность варизонных AlInN диодов на 3÷20 % меньше потребляемой мощности InN диодов. Результаты исследова-
ния расширяют знания о физических процессах переноса носителей заряда в сложных полупроводниковых структурах и могут
быть использованы для технологических разработок новых быстродействующих приборов на основе полупроводниковых нитри-
дов. Ил. 4. Табл. 3. Библиогр.: 11 назв.
Ключевые слова: диод Ганна, варизонный полупроводник, полупроводниковый нитрид, междолинный перенос элект-
ронов, субмиллиметровый диапазон, нитрид индия, нитрид алюминия.
Нитриды элементов ІІІ группы привле-
кают внимание как перспективные материалы для
различных быстродействующих электронных
приборов, в том числе приборов, работающих на
эффекте междолинного переноса электронов (МПЭ).
К таким материалам относятся AlN, InN и GaN.
В целом ряде работ [1–5] проведены численные
эксперименты по генерации электромагнитных
колебаний субмиллиметрового (субмм) диапазона
с помощью диодов Ганна (ДГ) на основе полу-
проводниковых нитридов. В них показана пер-
спективность таких приборов до частот 1÷2 ТГц.
В то же время экспериментальных исследований
полупроводниковых нитридов выше порогового
значения электрического поля крайне мало.
Можно назвать только публикацию [6], где в им-
пульсном режиме наблюдалась вольтамперная ха-
рактеристика (ВАХ) выше порогового поля и про-
ведены измерения отрицательной дифференци-
альной проводимости в GaN. Экспериментальной
генерации на эффекте МПЭ, насколько нам из-
вестно, в научных публикациях отмечено не бы-
ло. Основная проблема, не позволяющая полу-
чить генерацию, состоит в отводе тепла от актив-
ной области прибора [4, 5]. Второй важной
нерешенной проблемой является разогрев элект-
ронного газа у катодного контакта. Способы, с
помощью которых удавалось решить эту пробле-
му в ДГ на основе GaAs или InP, оказались для
полупроводниковых нитридов малоэффективны-
ми [4]. Одним из малоизученных направлений в
области создания ДГ является использование ва-
ризонных полупроводниковых соединений, кото-
рые позволяют преодолеть необходимость в разо-
греве электронного газа у катода [7–9]. В соот-
ветствии с описанными выше проблемами по ис-
пользованию полупроводниковых нитридов в ДГ
и возможностью их решения с помощью вари-
зонных полупроводников, целью данного иссле-
дования является изучение особенностей генера-
ции электромагнитных колебаний ДГ на основе
варизонного AlInN.
1. Постановка задачи и параметры.
Выбор соединения AlInN обусловлен следующи-
ми причинами. Из полупроводниковых нитридов
с гексагональной кристаллической решеткой (мо-
дификация вюрцит) InN обладает максимальной
пиковой дрейфовой скоростью электронов и ми-
нимальным значением пороговой напряженности
электрического поля [1–5]. Соединение InN усту-
пает GaN и AlN по инерционности МПЭ и веро-
ятности перекрытия МПЭ ударной ионизацией.
По оценкам [2, 4] InN-ДГ в миллиметровом и
субмм диапазонах должны обладать лучшими
характеристиками по сравнению с GaN- и AlN-ДГ.
Для предотвращения перекрытия МПЭ ударной
ионизацией целесообразно применять тройные
соединения InGaN или InAlN, что увеличит ши-
рину запрещенной зоны, но уменьшит подвиж-
ность электронов. Для повышения эффективности
генерации (КПД) предпочтительно использовать
варизонные соединения с возрастающим по коор-
динате энергетическим зазором между неэквива-
лентными долинами. В соединение AlN энергети-
ческий зазор между центральной долиной и бли-
жайшей к ней по энергии боковой долиной на 0,6 эВ
меньше, чем GaN, что и определило выбор AlN
для пары к InN.
mailto:storozhenko.igor@gmail.com
М. В. Кайдаш / Характеристика варизонных AlInN…
_________________________________________________________________________________________________________________
72
В данном исследовании процентное рас-
пределение InN в соединении Al1–x(z)Inx(z)N задает-
ся зависимостью
,)(4exp1)()( 2
1
0
21 x
l
zzxxzx
v
+
−
+−=
−
(1)
где x1 и x2 – предельное содержание InN на –∞ и
+∞; z0 – координата центра варизонного слоя;
lv – длина варизонного слоя.
Необходимо с помощью численных экс-
периментов получить оптимизированные по на-
пряжению питания зависимости эффективности
генерации от частоты для разных значений длин
активной области и варизонного слоя. Рассматри-
вается работа ДГ с тремя различными профилями
легирования (тип ДГ) – n+–n–n+, n+–n––n–n+ и
n+–n––n+–n–n+. Схема зоны проводимости и рас-
пределение InN в n+–n–n+-ДГ представлены на
рис. 1.
Рис. 1. Схематическая зонная диаграмма и распределение
бинарной компоненты x в варизонном Al1–x(z)Inx(z)N-ДГ
На схеме обозначено E0 – уровень вакуу-
ма при отсутствии внешних сил; El – уровень ва-
куума с внешними силами (локальный); EC – дно
зоны проводимости (энергетический минимум
Г- долины); EF – энергетический уровень Ферми;
EV – потолок валентной зоны; Eg – ширина запре-
щенной зоны; Г, U и A – энергетический мини-
мум Г-, U- и A-долины; χ – энергия электронного
сродства; ϕ – потенциал внешних сил; z – про-
странственная координата; lκ, la и lv – длина катода,
активной зоны и варизонного слоя соответственно.
Длина активной области lа составила 0,4, 0,8 и
2,5 мкм с концентрацией ионизированных приме-
сей n0 в ней равной 1017, 8·1016 и 3·1016см–3 соот-
ветственно. Концентрация примесей в n+-области
n––n+-катода составила 8·1016 (la = 2,5 мкм) и
3·1017 см–3 (la ≤ 0,8 мкм), а в n–-области на поря-
док меньше, чем в активной. Температура
кристаллической решетки считалась постоянной
T0 = 300 К.
2. Методика исследования. Исследова-
ния проводились с помощью трехуровневой мо-
дели МПЭ в варизонных полупроводниках, осно-
ванной на решении кинетического уравнения
Больцмана для смещенного максвелловского рас-
пределения электронов [8]. Данная модель пред-
ставляет собой систему уравнений, состоящую из
уравнений непрерывности (2), плотности тока (3)
и баланса энергии (4) для каждой из трех неэкви-
валентных долин зоны проводимости полупро-
водника, а также уравнения Пуассона (5):
injin
j
in
i
ijn
iii nnnn
z
j
et
n
κ
κ
κ ττττ ,,,,
1
′
+
′
+−−
∂
∂
−=
∂
∂ ; (2)
∂
∂
−
∂
∂
+
∂
∂
+=
z
Tn
z
m
m
Tn
z
eEnj iii
i
ii
ib
i
iii
)(
2
3µκχµ ; (3)
;
2
3
)(1
2
5
2
3
,,,
−
′
+
′
−
−
∂
∂
−
∂
∂
+=
∂
∂
i
ii
iji
jj
b
ii
b
ii
i
ii
b
TnTnTn
z
Tj
eze
jEj
t
Tn
τττ
κ
κχκ
κ
κκ
(4)
( )04)( nnnne
z
E
ji −++=
∂
∂
κπε , (5)
где индексы i, j и κ определяют три неэквива-
лентные долины. Уравнения (2)–(4) записаны для
i-долины. Здесь ni, µi, mi, ji, Ti – соответственно,
концентрация, подвижность, эффективная масса,
плотность тока и температура электронов в
i-долине; τn,ij, τ,ij – время релаксации концентра-
ции и энергии электронов при междолинном пе-
реходе из i- в j-долину; τ,i – время релаксации
энергии электронов в i-долине; χi – энергия, не-
обходимая, чтобы перевести электроны с энерге-
тического минимума i-й долины до локального
уровня вакуума; E – напряженность электриче-
ского поля, n0 – концентрация ионизированных
доноров; ε – диэлектрическая проницаемость;
e – модуль заряда электрона; κb – постоянная
Больцмана; t – время; z – координата. Средняя
плотность тока в диоде определяется как сумма
средних в трех долинах. В наших расчетах учи-
тывались Г, А и U энергетические минимумы [4].
Система уравнений (2)–(5) решалась численными
методами. Моделируется ситуация, когда на диод
прикладывается синусоидальное напряжение с
постоянной составляющей, что соответствует
помещению диода в одноконтурный резонатор.
E
E0
EС
EF
EV
x
1
El
A
U
ϕ
χU
χГ χA
Г
Eg
InN AlN
z lv
0 lk z0 lk+la L z
М. В. Кайдаш / Характеристика варизонных AlInN…
_________________________________________________________________________________________________________________
73
Выходные характеристики оптимизировались для
разных частот по напряжению смещения и ам-
плитуде первой гармоники. Вычисления эффек-
тивности генерации диодов проводились для вто-
рого и третьего периодов колебаний.
3. Энергетические характеристики.
В варизонных AlInN-ДГ независимо от профиля
легирования реализуется режим с нарастающими
волнами пространственного заряда – доменами, в
отличие от InN-ДГ n+–n–n+-структуры, в которых
формируются обогащенные слои. В целом же
работа ДГ с разным профилем легирования на
основе варизонного AlInN определяется теми же
особенностями, что и ДГ на основе бинарных
нитридов InN и AlN [4]. Следует обратить внима-
ние, что при выбранном уровне легирования ак-
тивной области линейные размеры сформирован-
ного домена больше активной зоны. Кроме того,
домены проникают в анод на глубину порядка
100 нм, что приводит к смещению оптимальной
частоты генерации в сторону меньших частот.
Этот же недостаток характерен AlN- и InN-ДГ.
Особенностью ДГ на основе варизонных
полупроводников является зависимость выход-
ных характеристик от скорости изменения про-
центного содержания бинарных компонентов,
которая в данном случае определяется длиной
варизонного слоя lv. Зависимости пиковых значе-
ний эффективности генерации от lv разных типов
ДГ имеют оптимумы (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость пиковых значений эффективности генера-
ции Al1–xInxN-ДГ от длины варизонного слоя при разной длине
активной области: 1 – 0,4 мкм; 2 – 0,8 мкм; 3 – 2,5 мкм. Не-
прерывные линии – n+–n––n–n+-ДГ, пунктирные – n+–n–n+-ДГ
Оптимальная длина варизонного слоя,
при которой КПД максимален, зависит от типа
катодного контакта, длины активной области и
концентрации ионизированных примесей в ней.
Особенностью варизонных AlInN-ДГ является то,
что оптимальная длина варизонного слоя меньше
длины активной области (табл. 1) в отличие от
AlGaAs- [9] или InGaAs-ДГ [10], у которых она
приблизительно равна длине активной области.
Таблица 1
Оптимальная длина Al1–xInxN варизонного слоя
Тип диода
Длина активной области, мкм
2,5 0,8 0,4
Длина варизонного слоя, мкм
n+–n–n+ 0,63 0,26 0,20
n+–n––n–n+ 0,80 0,35 0,30
n+–n––n+–n–n+ 0,72 0,33 0,30
От длины варизонного слоя также зави-
сит оптимальная частота генерации ДГ f0. При
увеличении lv происходит незначительный рост f0.
Например, в n+–n–n+-ДГ с la = 2,5 мкм при изме-
нении lv от 0,3 до 3 мкм f0 увеличивается с 68 до
72 ГГц. В таком же ДГ, но с la = 0,8 мкм при из-
менении lv от 0,1 до 1 мкм f0 возрастает с 199 до
223 ГГц. В ДГ с высоомной неоднородностью
(n+–n–- и n+–n––n+-катод) влияние lv на выходные
характеристики слабее.
Наибольшими пиковыми значениями
КПД обладают n+–n––n–n+-ДГ. Им немного усту-
пают n+–n––n+–n–n+- и n+–n–n+-ДГ.
Для всех типов ДГ максимальная эффек-
тивность генерации падает при уменьшении дли-
ны активной области (рис. 3, табл. 2). Сущест-
венное снижение КПД происходит, когда la ста-
новится меньше 0,8÷0,6 мкм. Пиковые значения
КПД однотипных ДГ длиной 0,8 и 2,5 мкм прак-
тически одинаковые. Это связано с хорошими
инерционными свойствами AlN и InN.
Рис. 3. Зависимость эффективности генерации от частоты при
оптимальной длине варизонного слоя и разной длине актив-
ной области Al1–xInxN-ДГ: 1 – 0,4 мкм; 2 – 0,8 мкм; 3 – 2,5 мкм.
Непрерывные линии – n+–n––n–n+-ДГ, пунктирные – n+–n–n+–ДГ
и штрихпунктирные n+–n––n+–n–n+-ДГ
8
η, %
6
4
2
1
0 1 2 lv, мкм 3
2
3
8
η, %
6
4
2
1
0 100 200 300 400 500 f, ГГЦ
2 3
М. В. Кайдаш / Характеристика варизонных AlInN…
_________________________________________________________________________________________________________________
74
Зависимости эффективности генерации
от частоты разных InN диодов представлены на
рис. 4, Они близки к подобным характеристикам,
полученным с помощью двухуровневой модели
МПЭ в работе [4].
Таблица 2
Максимальный КПД и соответствующая частота
генерации Al1–xInxN-, InN- и AlN-ДГ
Тип
катода
Длина активной области, мкм
2,5 0,8 0,4
η, % f, ГГц η, % f, ГГц η, % f, ГГц
Al1–xInxN
n+ 6,4 70 5,9 220 3,49 440
n+–n– 7,3 60 7,1 190 5,70 370
n+–n––n+ 5,7 58 5,6 185 4,81 390
InN
n+ 3,5 85 2,7 277 1,54 540
n+–n– 5,9 77 5,1 225 3,06 480
n+–n––n+ 5,1 68 3,0 275 2,07 480
AlN
n+ 1,1 38 0,81 120 0,6 205
n+–n– 1,5 34 1,3 115 1,0 200
Рис. 4. Зависимость эффективности генерации от частоты при
разной длине активной области InN-ДГ: 1 – 0,4 мкм; 2 – 0,8 мкм;
3 – 2,5 мкм. Непрерывные линии – n+–n––n–n+-, пунктирные –
n+–n–n+- и штрихпунктирные n+–n––n+–n–n+-ДГ
Сравнительный анализ InN- и варизон-
ных AlInN-ДГ показывает, что AlInN-ДГ превос-
ходят однотипные приборы на основе InN в зави-
симости от длины и типа катода по КПД в
1,11÷2,32 и по выходной мощности в 1,36÷1,95
раза. Потребляемая мощность AlInN-диодов в
0,80÷1,29 раза больше, чем InN-диодов. При этом
уменьшение потребляемой мощности на 3–20 %
имеет место только в ДГ n+–n––n–n+- и
n+–n––n+–n–n+-структуры при la ≤ 0,8 мкм. Следу-
ет отметить, что ДГ на основе полупроводнико-
вых нитридов имеют высокие, по сравнению с
GaAs, значения выходной мощности (табл. 3), на
что также обращалось внимание в публикации [2, 6].
Таблица 3
Плотность потока выходной
мощности Al1–xInxN-ДГ
Тип
катода
Длина активной области, мкм
2,5 0,8 0,4
W
Вт·см-2
Al1–xInxN
n+ 8,3·105 6,3·105 2,0·105
n+–n– 11,3·105 10,5·105 4,1·105
n+–n––n+ 8,2·105 8,1·105 4,5·105
InN
n+ 4,1·105 4,6·105 1,4·105
n+–n– 7,4·105 6,4·105 2,2·105
n+–n––n+ 5,86·105 4,7·105 2,3·105
AlN
n+ 2,0·105 1,2·105 1,1·105
n+–n– 2,7·105 2,5·105 1,6·105
Оптимальные частоты генерации InN-ДГ
на 22 % выше, чем варизонных AlInN-ДГ.
Характеристики AlN-ДГ (табл. 2, 3) в
рассмотренном диапазоне частот уступают
AlInN- и InN-ДГ по эффективности, выходной и
потребляемой мощности, а также по оптимальной
частоте генерации.
Варизонные ДГ обладают еще одной
особенностью: благодаря возрастающей коорди-
натной зависимости энергетического зазора меж-
ду неэквивалентными долинами от приложенного
к ДГ напряжения зависит длина области дрейфа
неустойчивости заряда в варизонном слое [11].
При возрастании приложенного к диоду напря-
жения длина области дрейфа растет, а частота
колебаний тока уменьшается. При этом с ростом
частоты оптимальное питающее напряжение
уменьшается. В InN-ДГ n+–n––n–n+-структуры
также имеет место похожий эффект, но он связан
с неоднородным распределением напряженности
электрического поля в n–-n-контакте, а не с энер-
гетическим зазором. В отличие от InN-, в AlN-ДГ
n+–n––n–n+-структуры данный эффект не обнаружен.
Работа InN-, AlN- и варизонных AlInN-ДГ
была рассмотрена также в бигармоническом ре-
жиме, когда в приложенном к диоду напряжении
присутствуют основная и вторая гармоники, что
соответствует помещению диода в двухконтур-
ный резонатор. При генерации основной гармо-
ники в двухконтурном резонаторе эффективность
генерации и выходная мощность возрастает не-
значительно. Относительное увеличение КПД
составляет 5–6 %. Генерация второй гармоники
затруднена из-за больших размеров доменов.
Условия, когда в активной области существуют
две неустойчивости заряда, найдены не были,
поэтому можно предположить, что генерация
второй гармоники возможна в режиме умножения
частоты или в режиме однородного поля.
6
η, %
5
4
3
2
1
1
0 100 200 300 400 500 600 f, ГГЦ
2
3
М. В. Кайдаш / Характеристика варизонных AlInN…
_________________________________________________________________________________________________________________
75
Оценки, проведенные для диодов с
la = 0,2 мкм, и характер зависимости КПД от дли-
ны активной области и частоты показывают, что
для варизонных AlInN-диодов минимальная дли-
на активной области может составлять около
0,15 мкм и предельная рабочая частота 0,9÷1,3 ТГц.
Минимальная длина активной области InN дио-
дов составляет около 0,35 мкм и предельная час-
тота 0,7÷0,8 ТГц.
Выводы. Варизонные AlInN-ДГ, у кото-
рых в активной области состав изменяется от AlN
к InN, могут эффективно работать в режиме гене-
рации вплоть до частот 0,9÷1,3 ТГц. В однотипных
InN-ДГ частотный предел составляет 0,7÷0,8 ТГц.
Причиной большего частотного предела работы
варизонных ДГ является возрастающая зависи-
мость от координаты энергетического зазора
между Г-долиной и ближайшей к ней по энергии
боковой долиной.
Абсолютный максимум пиковых значе-
ний КПД и выходной мощности варизонных
AlInN-ДГ достигается при оптимальной длине
варизонного слоя. В зависимости от длины ак-
тивной области и профиля легирования оптимум
длины варизонного слоя составляет 0,2÷0,8 мкм.
Варизонные AlInN-ДГ превосходят одно-
типные InN-ДГ по эффективности генерации и
выходной мощности, но уступают по оптималь-
ной частоте генерации. Координатная зависи-
мость распределения AlN в AlInN-ДГ приводит к
росту амплитуды колебания плотности тока, вы-
ходной мощности и эффективности генерации.
Повышение среднего значения содержания AlN в
варизонном тройном соединении влечет за собой
уменьшение средней плотности тока и оптималь-
ной частоты генерации. Однако при этом увели-
чивается напряжение питания, поэтому заметного
уменьшения потребляемой мощности не происхо-
дит. Потребляемая мощность AlInN-ДГ с высоко-
омной неоднородностью у катода и длиной ак-
тивной области менее 0,8 мкм только на 3–20 %
меньше, чем в однотипных InN-диодах.
В рассмотренном диапазоне частот AlN-ДГ
уступают InN- и варизонным AlInN-ДГ по КПД,
выходной и потребляемой мощности, а также по
оптимальной частоте генерации из-за меньших
значений подвижности электронов, отрицатель-
ной дифференциальной проводимости и большей
пороговой напряженности электрического поля в
AlN по сравнению с InN.
При генерации основной гармоники в
двухконтурном резонаторе относительное увели-
чение эффективности генерации и выходной
мощности составляет 5–6 %. Генерация второй
гармоники затруднена из-за больших размеров
доменов. Генерация второй гармоники возможна
в режиме умножения частоты или в режиме
однородного поля.
Библиографический список
1. Sevik C. Efficiency and harmonic enhancement trends in GaN-
based Gunn diodes: Ensemble Monte Carlo analysis /
C. Sevik, C. Bulutay // App. Phys. Let. – 2004. – 85, N 17. –
P. 3908–3910.
2. Aloise G. Perfomence study of nitride-based Gunn diodes /
G. Aloise, S. Vitamov, V. Palankovsi // NSTI-Nanotech. –
2011. – 2, N 6. – P. 599–602.
3. Macpherson R. F. Simulation of gallium nitride Gunn diodes
at various doping levels and temperatures for frequencies up
to 300 GHz by Monte Carlo simulation, and incorporating the
effects of thermal heating / R. F. Macpherson, G. M. Dunn
and N. J. Pilgrim // Semicond. Sci. Technol. – 2008. – 23, N 5. –
Р. 055005.
4. Стороженко И. П. Перспективы использования диодов
Ганна на основе GaN, AlN и InN / И. П. Стороженко,
Ю. В. Аркуша // Радиофизика и электрон. – 2011. – 2(16),
№ 1. – С. 58–63.
5. Temperature effect on the submicron AlGaN/GaN Gunn di-
odes for terahertz frequency / Lin’an Yang Wei Mao, Qing-
yang Yao, Qi Liu et al. // J. App. Phys. – 2011. – 109, iss. 2. –
P. 109–114.
6. First Observation of Bias Oscillations in GaN Gunn Diodes
on GaN Substrate / O. Yilmazoglu, K. Mutamba, D. Pavlidis,
T. Karaduman // IEEE Transactions on Electron Devices. –
2008. – 55, iss. 7. – P. 1563–1567.
7. The use of linearly graded composition AlGaAs injectors for
intervalley transfer in GaAs: theory and experiment /
N. R. Couh, P. H. Beton, M. J. Kelly et al. // Solid State
Electron. – 1988. – 31, N 4. – P. 613–616.
8. Storozhenko I. P. Simulation of transferred electron devices
with linearly graded composition of 3–5 threefold semicon-
ductor in active zone / I. P. Storozhenko, E. D. Prokhorov,
Yu.V. Arkusha // Intern. J. Infrared and Millimeter Waves. –
2004. – 25, N 6. – P. 879–890.
9. Стороженко И. П. Диоды Ганна на основе варизонного
Alx(z)Ga1–x(z)As c различными катодными контактами /
И. П. Стороженко // Радиофизика и радиоастрономия. –
2006. - 11, № 2. - С. 186–197.
10. Storozhenko I. P. Influence of the Variband-layer thickness on
the energy and frequency characteristics of Inx(z)Ga1–x(z)As
Gunn diodes / I. P. Storozhenko, Yu. V. Arkusha, E. D. Prokho-
rov // J. Communications Technol. and Electron. – 2006. - 51,
N 3. - P. 352–358.
11. Стороженко И. П. Резонансные частоты диодов Ганна на
основе варизонных полупроводниковых нитридов /
И. П. Стороженко // Радиофизика и электрон. – 2012. –
3(17), № 3. – С 79–82.
Рукопись поступила 20.11.12 г.
M. V. Kaydash
CHARACTERISTICS OF AlInN GRADED-GAP
GUNN DIODES
Semiconductor nitrides are promising materials for
high-speed solid-state electronic devices, including those based on
the intervalley electron transfer effect. However, due to various
reasons, for instance, high power consumption and difficulties of
heat removing out of the device active region, the research
literature contains no information on the experimental generation
of electromagnetic oscillations by means of Gunn diodes based on
GaN or InN. The paper presents the following results: firstly, we
have proposed the idea how to reduce power consumption and to
increase the Gunn diodes efficiency; secondly, we have carried out
the numerical experiments on the generation of oscillations by
means of Gunn diodes based on graded-gap AlInN, and thirdly, we
have optimized the parameters and got the output characteristics of
М. В. Кайдаш / Характеристика варизонных AlInN…
_________________________________________________________________________________________________________________
76
diodes with different cathode contacts in a wide range of
frequencies. We have analyzed both harmonic and biharmonic
operating modes of the diodes. We have found out that graded-gap
AlInN Gunn diodes outperform InN- and AlN-diodes of the same
type by generation efficiency, output power and cutoff operating
frequency which equaled 0.9 ÷ 1.3 THz at the active region length of
0.15 µm. Power consumption of graded-gap AlInN-diodes is
3 ÷ 20 % less than power consumption of InN-diodes. Results of
our study extend the knowledge of the physical processes of
charge transport in complex semiconductor structures and can be
useful for the development of new high-speed devices based on
semiconductor nitrides.
Key words: Gunn diode, graded-gap semiconductor,
semiconductor nitride, intervalley electron transfer, submillimeter
range, indium nitride, aluminum nitride.
М. В. Кайдаш
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАРИЗОННИХ
AlInN ДIОДIВ ГАННА
За своїми властивостями напівпровідникові нітриди
є перспективними матеріалами для швидкодіючих тердотіль-
них приладів, у тому числі на ефекті міждолинного переносу
електронів. Однак, через низку причин, зокрема, великої спо-
живаної потужності і складності відведення тепла від активної
області приладу, в науковій літературі відсутні дані про екс-
периментальну генерацію електромагнітних коливань за до-
помогою діодів Ганна на основі GaN або InN. У даному дослід-
женні, по-перше, пропонується ідея зменшення споживаної
потужності і підвищення ефективності діодів Ганна, по-друге,
проведено числові експерименти по генерації за допомогою
діодів Ганна на основі варизонного AlInN, в-третіх, оптимізо-
вано параметри й отримано вихідні характеристики діодів з
різними катодними контактами в широкому діапазоні частоту
Роботу діодів розглянуто для гармонічного і бігармонічного
режимів роботи. Дослідження показало, що варизонні AlInN
діоди Ганна перевищують однотипні InN i AlN діоди по ефек-
тивності генерації, вихідній потужності і граничній робочій
частоті, яка складає 0,9÷1,3 ТГц при довжині активної області
0,15 мкм. Споживана потужність варизонних AlInN діодів на
3÷20 % менша споживаної потужності InN діодів. Результати
дослідження розширюють знання про фізичні процеси пере-
несення носіїв заряду в складних напівпровідникових струк-
турах і можуть бути використані для технологічних розробок
нових швидкодіючих приладів на основі напівпровідникових
нітридів.
Ключові слова: діод Ганна, варизонний напівпро-
відник, напівпровідниковий нітрид, міждолинний перенос
електронів, субміліметровий діапазон, нітрид індію, нітрид алю-
мінію.
М. В. Кайдаш
Национальный фармацевтический университет
53, ул. Пушкинская, Харьков, 61002, Украина
E-mail: storozhenko.igor@gmail.com
М. В. Кайдаш
|