[論文レビュー] Repeatable Room Temperature Negative Differential Conductance in GaN/AlN Resonant Tunneling Diodes

Jimy Encomendero, Faiza Faria+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2016

GaN-based semiconductor devices and materials被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、分子線エpitaxyを用いて成長されたボトムGaN基板上に形成されたGaN/AlN共鳴トンネルダイオード（RTDs）において、繰り返し可能な室温下での負微分コンダクタンス（NDC）を示す。ピーク電流密度が約6.4 kA/cm²で、ピーク対谷電流比（PVR）が約1.3であるため、順方向バイアス下で安定したNDCを示す一方、逆方向バイアスでは偏極電場依存の起動しきい値が観察され、設計依存の共鳴およびしきい値電圧を捉える分析的静電モデルによって裏付けられている。

ABSTRACT

Double barrier GaN/AlN resonant tunneling heterostructures have been grown by molecular beam epitaxy on the (0001) plane of commercially available bulk GaN substrates. Resonant tunneling diodes were fabricated; room temperature current-voltage measurements reveal the presence of a negative differential conductance region under forward bias with peak current densities of ~6.4 $kA/cm^2$ and a peak to valley current ratio of ~1.3. Reverse bias operation presents a characteristic turn-on threshold voltage intimately linked to the polarization fields present in the heterostructure. An analytic electrostatic model is developed to capture the unique features of polar-heterostructure-based resonant tunneling diodes; both the resonant and threshold voltages are derived as a function of the design parameters and polarization fields. Subsequent measurements confirm the repeatability of the negative conductance and demonstrate that III-nitride tunneling heterostructures are capable of robust resonant transport at room temperature.

研究の動機と目的

• 室温下で安定的かつ繰り返し可能なIII窒化物共鳴トンネルダイオードにおける負微分コンダクタンスを達成すること。
• バンド配置を歪める極性ヘテロ構造に起因する偏極電場の課題に対処すること。
• 偏極電場を考慮した分析的静電モデルを構築し、GaN/AlN RTDsにおける共鳴電圧およびしきい値電圧を予測すること。
• 高温・高速ナノエレクトロニクス用途に適したGaN/AlNヘテロ構造における頑健な共鳴トンネル輸送を実証すること。
• 複数のデバイスにわたるNDC特性の再現性を検証し、実用的実現可能性を確認すること。

提案手法

• 分子線エpitaxy（MBE）を用いて、(0001)面を指向するボトムGaN基板上に二重トンネル障壁を有するGaN/AlNヘテロ構造を成長させた。
• 標準的な半導体プロセス技術を用いて共鳴トンネルダイオードをフォーミングし、電気的特性評価を可能にした。
• 室温下での電流-電圧（I-V）測定を実施し、NDC挙動、ピーク電流密度、ピーク対谷電流比（PVR）を抽出した。
• 逆方向バイアスI-V測定により、ヘテロ構造内の偏極電場に起因するしきい値電圧が特定された。
• バンド配置、特に偏極誘起電場を含む静電モデルを構築し、設計パrameterの関数として共鳴電圧およびしきい値電圧を導出するためのモデルを構築した。
• 理論的予測を実験データと比較することで、偏極電場がデバイス特性を決定づける役割を裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い偏極電場が存在するにもかかわらず、GaN/AlN共鳴トンネルダイオードは室温下で繰り返し可能な負微分コンダクタンスを示せるか？
• RQ2 極性ヘテロ構造に起因する偏極電場は、RTDsにおける共鳴トンネル挙動およびしきい値電圧にどのように影響するか？
• RQ3 分析的静電モデルは、GaN/AlN RTDsにおける共鳴電圧および起動電圧をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 室温下、順方向バイアスにおけるGaN/AlN RTDsの実現可能なピーク電流密度およびピーク対谷電流比はどの程度か？
• RQ5 観察されたNDC挙動は複数デバイスにわたって再現可能であり、実用的応用の可能性を示唆するか？

主な発見

• GaN/AlN RTDsは、室温下で繰り返し可能な負微分コンダクタンスを示し、順方向バイアス下での安定した共鳴トンネル輸送を確認した。
• ピーク電流密度は約6.4 kA/cm²に達し、III窒化物RTDsにおける高い電流能力を示した。
• ピーク対谷電流比は約1.3であったため、将来的な高周波応用に向けた測定可能な中程度のNDCを示した。
• 逆方向バイアス動作では明確な起動しきい値電圧が観察され、これはヘテロ構造内の偏極電場に直接関連していた。
• 開発された分析的静電モデルは、設計パrameterおよび偏極電場に基づき、共鳴電圧およびしきい値電圧を的確に予測できた。
• 実験データとモデルの一致から、偏極電場が極性ヘテロ構造ベースRTDsの設計において重要な要因であることが確認された。