Self–Heating Effect in Planar GaN Diode with 2D- h-BN - Layer

Abstract

Проведено дослідження ефекту саморозігріву у гібридних 2D-3D гетероструктурних діодах. Розглядається планарна структура на основі GaN довжиною 1280 нм з каналом n-типу та концентрацією донорів 6·1017 см – 3. Для дослідження ефектів нагрівання в діодному каналі розглянуто підкладку двох типів: з орієнтацією у c-площині на основі сапфіру та GaN. Моношар гексагонального нітриду бору (h-BN) на поверхні каналу розглядається як елемент для теплового контролю діода. Використовується модель нагріву на основі макроскопічних теплових параметрів матеріалів. Моделювання роботи діода проводилося з використанням багаточастинкового методу Монте-Карло самоузгоджено з числовим розв’язанням системи рівнянь теплопровідності з використанням повного багатосіткового методу (ПБМ). Транспортні властивості діода розглядаються в умовах дії сильних електричних полів і ударної іонізації. Характеристики діода з моношаром h-BN і без нього отримано за постійної прикладеної напруги. Розподіл температури в діоді отримано з урахуванням теплового граничного опору на кожній із меж поділу. Розглядається діапазон напруг 0-20 В. Показано, що в анодній частині діода формується сильне електричне поле, що призводить до його нагрівання. Підвищення максимальної температури в каналі діода становить понад 550 К. Встановлено, що h-BN впливає як на величину температури, так і на її перерозподіл у каналі діода. Зниження температури може досягати 3 % і збільшується у випадку високотемпературної області. Продемонстровано роль моношару h-BN як фактора, що запобігає утворенню локалізованого перегріву пристрою. Показано, що моношар h-BN можна ефективно використовувати в діодах, які мають підкладку з низькою теплопровідністю в напівпровідникових приладах довжиною кілька мікрометрів.

In this research, we have studied a self-heating effect in hybrid 2D-3D heterostructure diode, considering planar GaN-based structure of 1280 nm with n-type channel and donor concentration of 6·1017 cm – 3. Two type c-plane substrate-based sapphire and GaN are considered in order to investigate heating effects in diode channel. Monolayer hexagonal boron nitride (h-BN) on the top of canal is considered as an element for thermal control of the diode. The model of a heating based on macroscopic thermal parameters of materials is used. The simulation of diode operation was carried out using the Ensemble Monte Carlo Technique selfconsistently with numerical solving of system of heat equations by full multigrid (FMG) method. Transport properties of diode is considered under condition of high electric fields and impact ionization. Characteristics of the diode with both h-BN monolayer and without one were obtained at DC applied voltage. A temperature distribution in diode is obtained with account of thermal boundary resistance at each interface, considering voltage range of 0-20 V. In strong electric field in anode, the heating rises maximal temperature in channel diode up to over 600 K. The h-BN was found to affect the temperature magnitudes and their redistribution in diode channel. Temperature decrease can achieve 3 % and increase in case of high temperature region. Role h-BN monolayer as a factor avoiding formation of localized overheating of a device is demonstrated. It is shown that, h-BN monolayer is effective in diode using the substrate with low thermal conductivity and can be applied for semiconductor devices with length of several micrometers.