Features of Noise Generation in Graded-Gap III Nitride-based Diodes

Abstract

Діоди з варізонним шаром із статичним доменом сильного поля розглядаються як можливе джерело шуму для сучасних застосувань, які використовують частоти терагерцового діапазону. Діоди являють собою двоконтактну n+–n ¯ –n–n+ структуру, яка містить катодний варізонний шар із енергетичним зазором, що зростає від катодного контакту до початку n-області. Розглянуто діоди на основі GaN та AlN відповідно із зазорами на основі InzGa1-zN та InzAl1-zN. Завдяки використанню варізонного шару з вузькозонним матеріалом на катоді досягається локалізація сильного електричного поля та низьке значення порогу ударної іонізації. Моделювання діодів було виконано багаточастинковим методом Монте-Карло. Генерація шуму досліджується шляхом числового аналізу часових вибірок електричного струму в часовій області. Досліджено вплив механізмів розсіювання, що діють на носії заряду, на шумові властивості діода. Аналізується щільність потужності спектрального шуму (NPSD). Виявлено, що максимальна NPSD спостерігається в діодах GaN з шаром InzGa1-zN. Величина NPSD залежить від розмірів як n– області (на фіксованій довжині діода), так і положення варізонного шару відносно кінця області з високим опором (n–). Встановлено, що розсіювання на полярних фононах та розсіювання на сплаві є основними механізмами, які впливають на шумові властивості діодів. Показано, що діоди демонструють області у напрузі зміщення, в яких залежність NPSD від напруги є лінійною, а величина NPSD змінюється більше ніж на порядок.

The paper reports the result of our research on graded-gap diodes with a cathode static domain as possible noise sources for different modern applications based on the use of THz wave frequencies. Such diodes represent a two-terminal n+ – n ¯ – n – n+ structure containing a cathode graded-gap layer with a band gap that increases from the cathode contact towards the n-region. We study GaN and AlN based diodes with InzGa1-zN and InzAl1-zN based graded-gap layers, respectively. It is shown that the localization of a strong electric field and low values of impact ionization threshold can be achieved by using a graded-gap layer with a narrow-gap material on the cathode. The diode simulation is performed using ensemble Monte Carlo technique. Noise generation is investigated numerically with time sampling of electric current over the time domain. The influence of scattering mechanisms acting on charge carriers on the noise properties of the diode is explored. Analyzing the noise power spectral density (NPSD), it is found that maximum NPSD can be observed in GaN diodes with InzGa1-zN layer, and the NPSD magnitude depends both on the size of the n– -region (at a fixed diode length) and on the position of the graded-gap layer with respect to the end of the high resistance region (n– ). It is established that polar phonon scattering and alloy-disorder scattering are the main mechanisms affecting the noise properties of the diodes. It is shown that the diodes demonstrate bias voltage regions where the dependence of NPSD on bias voltage is linear, and the value of NPSD increases by an order of magnitude.