Високочастотні властивості GaN, AlN та InN у сильних полях

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorКуліков, Костянтин Вячеславович
dc.contributor.authorМоскалюк, Володимир Олександрович
dc.contributor.authorТимофєєв, Володимир Іванович
dc.date.accessioned2020-05-07T17:04:24Z
dc.date.available2020-05-07T17:04:24Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractenThe article proposed a method for modeling and analyzing the high-frequency properties of multi-valley semiconductors, in particular, GaN, AlN and InN. The model is applied to state-of-the-art, promising and relevant materials GaN, AlN and InN, which are now known under the generic name III-nitrides. The method is distinguished by the economical use of computational resources without significant loss of accuracy and the possibility of using both for dynamic tasks over time and variables in the space of fields. The proposed approach is based on solving a system of differential equations, which are known as relaxation equations and are derived from the Boltzmann kinetic equation in the relaxation time approximation by averaging over k-space. In English literature, this method is known as the "method of moments." In contrast to the traditional system of equations for the concentration of carriers, their momentum and energy, here, instead of the energy relaxation equation, the equation for electron temperature is used as a measure of the energy of only chaotic motion. The second significant difference is that the relaxation times are not determined as integral values from the static characteristics of the material, but through averaging the quantum-mechanical scattering rates commonly used in the Monte Carlo method for certain types of scattering. The averaging was performed over the Maxwell distribution function in the electron temperature approximation, as a result of which various mechanisms of carrier scattering through their specific relaxation times are taken into account. Since the system of equations used includes equations in partial derivatives with respect to time and coordinates, it makes it possible to investigate the characteristic manifestations of the impulse properties of the materials under consideration, namely, the time effect of the “overshoot” of drift velocity and the spatial “ballistic transport” of carriers. For the first time, the use of the Fourier transformation of the impulse dependence of the carrier drift velocity to calculate the maximum frequencies inherent in a semiconductor is considered. A connection was found between the shape of the spectral characteristic of the drift velocity and the scattering mechanisms that prevail in a given electric field. The properties of III-nitrides in the frequency domain in a strong electric field are analyzed and compared with existing methods for estimating cut-off frequencies. It is shown that the limiting frequencies increase with increasing electric field strength and amount to hundreds of gigahertz, and for aluminum nitride it exceeds one thousand gigahertz. This is due, apparently, to the greatest for him inter-valley distances and, accordingly, with a weakened inter-valley scattering. The analysis of the spatial manifestation of the splash effect shows the possibility of an almost collisionless, ballistic flight of electrons in a strong field at distances up to hundredths and tenths of a micrometer.uk
dc.description.abstractruВ статье предложен метод моделирования и анализа высокочастотных свойств многодолинных полупроводников, в частности GaN, AlN и InN. Модель применена к сверхсовременным, перспективным и актуальным материалам GaN, AlN и InN, которые сейчас известны под обобщающим названием III-нитриды. Метод отличается экономным использованием вычислительных ресурсов без существенных потерь точности и возможностью применения как для динамических задач по времени, так и переменных в пространстве полей. Предложенный подход базируется на решении системы дифференциальных уравнений, которые известны как релаксационные и получены из кинетического уравнения Больцмана в приближении времени релаксации усреднением по k-пространству. В англоязычной литературе этот метод известен под названием «метод моментов». В отличие от традиционной системы уравнений для концентрации носителей, их импульса и энергии здесь использовано вместо уравнения релаксации энергии уравнение для электронной температуры как меры энергии только хаотического движения. Второе существенное отличие состоит в том, что времена релаксации определяются не как интегральные значения из статических характеристик материала, а через усреднение квантовомеханических скоростей рассеяния, обычно используемых в методе Монте-Карло, для отдельных видов рассеяния. Усреднение про-изводилось по максвелловской функции распределения в приближении электронной температуры, в результате чего учитываются различные механизмы рассеяния носителей через специфические для них времена релаксации. Поскольку используемая система уравнений включает уравнения в частных производных по времени и координатам, она дает возможность исследовать характерные проявления импульсных свойств рассматриваемых материалов, а именно: временной эффект «всплеска» дрейфовой скорости и пространственный «баллистический транспорт» носителей. Впервые рассматривается использование преобразования Фурье импульсной зависимости дрейфовой скорости носителей для вычисления максимальных присущих полупроводнику частот. Обнаружена связь формы спектральной характеристики скорости дрейфа с преобладающими в данном электрическом поле механизмами рассеяния. Проанализированы свойства III-нитридов в частотной области в сильном электрическом поле и делается сравнение с существующими методами оценки частот отсечки. Показано, что предельные частоты увеличиваются с ростом напряженности электрического поля и составляют сотни гигагерц, а для нитрида алюминия превышают тысячу гигагерц. Это связано, по-видимому, с наибольшими для него междолинными расстояниями и соответственно с ослабленным междолинным рассеянием. Анализ пространственного проявления эффекта всплеска показывает возможность практически бесстолкновительного, баллистического пролета электронов в сильном поле на расстояниях до сотых и десятых долей микрометра.uk
dc.description.abstractukУ 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.uk
dc.format.pagerangeС. 20-32uk
dc.identifier.citationКуліков, К. В. Високочастотні властивості GaN, AlN та InN у сильних полях / Куліков К. В., Москалюк В. О., Тимофєєв В. І. // Мікросистеми, Електроніка та Акустика : науково-технічний журнал. – 2019. – Т. 24, № 3(110). – С. 20–32. – Бібліогр.: 15 назв.uk
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/2523-4455.2019.24.3.178841
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/33301
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/uk
dc.sourceМікросистеми, Електроніка та Акустика : науково-технічний журнал, 2019, Т. 24, № 3(110)uk
dc.subjectIII-нітридиuk
dc.subjectнітрид галіюuk
dc.subjectнітрид алюмініюuk
dc.subjectнітрид індіюuk
dc.subjectмеханізми розсіюванняuk
dc.subjectміждолинне розсіюванняuk
dc.subjectчаси релаксаціїuk
dc.subjectсильне електричне полеuk
dc.subjectбалістичний транспортuk
dc.subjectдинамічні характеристикиuk
dc.subjectгранична частотаuk
dc.subjectIII-nitridesuk
dc.subjectgallium nitrideuk
dc.subjectaluminum nitrideuk
dc.subjectindium nitrideuk
dc.subjectscattering mechanismsuk
dc.subjectinter-valley scatteringuk
dc.subjectrelaxation timesuk
dc.subjectstrong electric fielduk
dc.subjectballistic transportuk
dc.subjectdynamic performanceuk
dc.subjectcutoff frequencyuk
dc.subjectIII-нитридыuk
dc.subjectнитрид галлияuk
dc.subjectнитрид алюминияuk
dc.subjectнитрид индияuk
dc.subjectмеханизмы рассеянияuk
dc.subjectмеждолинное рассеяниеuk
dc.subjectвремена релаксацииuk
dc.subjectсильное электрическое полеuk
dc.subjectбаллистический транспортuk
dc.subjectдинамические характеристикиuk
dc.subjectграничная частотаuk
dc.subject.udc621.382uk
dc.titleВисокочастотні властивості GaN, AlN та InN у сильних поляхuk
dc.title.alternativeHigh-Frequency Properties of GaN, AlN and InN in Strong Fieldsuk
dc.title.alternativeВысокочастотные свойства GaN, AlN и InN в сильных поляхuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
MEA2019_24-3_p20-32.pdf
Розмір:
1.32 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.06 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Мікросистеми, Електроніка та Акустика: науково-технічний журнал, Т. 24, № 3(110)