О. В. Боцула, Э. Д. Прохоров, А. В. Суздальцев, А. В. Дядченко

Харьковский национальный университет им.В.Н.Каразина,

РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ НА ОСНОВЕ AlN/Al_xGa_1-xN

Цель настоящей работы — исследовать возможности использования в качестве материалов для РТД соединений на основе азота AlN, GaN.

Материалы на основе азота начали находить применение сравнительно недавно. Поэтому и параметры двойных соединений, не говоря уже о тройных соединениях InGaN, AlGaN, известны недостаточно точно. Однако, в литературе имеются сведения, которые необходимы для расчета резонансно-туннельных диодов на основе этих соединений [1].

Отличительной особенностью рассматриваемых соединений является большая ширина запрещенной зоны и высота потенциальных барьеров в резонансно-туннельных структурах на их основе.

По известной методике [2,3] были определены для различных составов соединений высоты потенциальных барьеров РТД W, энергетические уровни в РТД с различной высотой потенциальных барьеров, коэффициенты прозрачности D для каждого из уровней, вольтамперные характеристики РТД и эффективность генерации РТД на различных энергетических уровнях.

Исследовались РТД, в которых в качестве квантовой ямы использовались соединения Al_xGa_1-xN, а в качестве потенциальных барьеров AlN.

Таблица 1. Параметры РТД с различными составами соединений.

№	Соединение	X	m^*n	Высота бар. (эВ)
1	AlN/GaN	-	0,2	2,3885
2	AlN/AlxGa1-xN	0,1	0,2	2,2525
3	AlN/AlxGa1-xN	0,2	0,2	1,9975
4	AlN/AlxGa1-xN	0,3	0,2	1,7425
5	AlN/AlxGa1-xN	0,4	0,2	1,53

Барьеры образованы слаболегированным широкозонным полупроводником AlN, с толщиной b, квантовая яма шириной а образована Al_xGa_1-xN, слева и справа от барьеров сильнолегированный n⁺- Al_xGa_1-xN c концентрацией примесей 5×10¹⁷…10¹⁸см^-3 и омическими контактами. Высоты потенциальных барьеров в зоне проводимости определяются разрывом зоны проводимости гетероперехода AlN/Al_xGa_1-xN и с использованием правила Дингла составляют значения, приведенные в таблице 1. Толщины слоев составляют а » 5 нм, b » 1...3 нм. В этом случае в квантовой яме оказывается несколько энергетических уровней, значения которых зависят от эффективной массы электрона и ширины ямы. Полученные значения энергетических уровней для AlN/GaN следующие: ε₁=0,0675 эВ; ε₂=0,27 эВ; ε₃=0,6075 эВ; ε₄=1,08 эВ. e₅ =1,6875 эВ. Расчитанная вольтамперная характеристика РТД с наиболее высокими потенциальными барьерами показана на рис.1.

На фоне общего нарастания тока через структуру хорошо видны резонансные пики тока, соответствующие каждому из резонансных уровней. С увеличением номера энергетического уровня максимальный ток в пике растет и превышает ток первого пика на несколько порядков (рис. 1)

С каждым пиком ВАХ связан участок с отрицательной дифференциальной проводимости, который следует за участком роста тока. Как видно из полученных характеристик величина тока в максимумах ВАХ увеличивается с возрастанием номера энергетического уровня, причем при толщинах барьера 2 нм и более первые максимумы проявляются слабо. С уменьшением толщины барьеров происходит возрастание общего тока через диод. Ток в максимумах вольтамперной характеристики также возрастает и первые максимумы становятся более заметными.

Рассчитанные зависимости эффективности генерации от напряжения смещения приведены на рис. 2 для РТД на основе гетеропары AlN/GaN.

Среди рассмотренных соединений наибольший КПД получается при использовании РТД на основе AlN/Al_xGa_1-xN при доле алюминия 0,4 . Данная структура является четырехуровневой.

Во всех рассмотренных РТД эффектиность генерации имеет наибольшее значение на первом участке ОДП. Это обусловено малыми значением напряжения смещения для первого участка и вместе с тем достаточно высокой контрастностью ВАХ на этом участке. Для рассмотренных РТД можно определить оптимальное значение высоты барьера (1,53 эВ) в соединении AlN/Al_0,4Ga_0,6N, как наиболее подходящее для использования в РТД.

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Используя пары AlN/Al_xGa_1-xN, где доля х меняется от 0 до 0,5 можно получить РТД с 2, 3, 4, 5-ю уровнями в квантовой яме. Такие структуры имеют участки роста тока и следующие за ними участки ОДП, число которых соответствует числу уровней в квантовой яме.

2. Показано, что эффективность генерации на каждом из участков ОДП зависит от параметров резонансно-туннельного диода и ширины потенциальных барьеров и может составлять до 10% на первом максимуме.

ЛИТЕРАТУРА

1. Bhapkar U. V.,Shur M. S. Monte Carlo calculation of velocity field characteristic of GaN, J.Appl.Phys., 1997, 82(4), pp.1649-1655.

2. Прохоров Э. Д., Квантово-размерные эффекты в твердотельных сверхвысокочастотных приборах:-Х: ХНУ имени В.Н. Каразина.-2005.-220с.

3. Боцула О. В., Прохоров Э. Д., Особенности совместной работы резонансно-туннельного диода и диода Ганна, Радиофизика и электроника, сб. научн. трудов ИРЭ НАНУ, 2002, т.7, №3, 527-531.