[论文解读] 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 27

一句话总结

本论文展示了在通过分子束外延生长于体衬底上的GaN/AlN共振隧穿二极管（RTDs）中，实现了可重复的室温负微分电导（NDC）。器件在正向偏置下表现出稳定的NDC，峰值电流密度约为6.4 kA/cm²，峰值与谷值电流比（PVR）约为1.3；反向偏置下则显示出与极化电场相关的开启阈值电压，该现象通过一个能捕捉设计相关共振电压和阈值电压的解析静电模型得到验证。

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.

研究动机与目标

• 在室温下实现III族氮化物共振隧穿二极管中稳定且可重复的负微分电导。
• 解决极性异质结构中极化场导致能带对齐畸变、阻碍RTD可重复工作的挑战。
• 开发一种解析静电模型，以考虑极化场影响，并预测GaN/AlN RTDs中的共振电压和阈值电压。
• 展示适用于高温、高速纳米电子应用的GaN/AlN异质结构中稳健的共振隧穿输运特性。
• 通过多组器件验证NDC特性的可重复性，证实其在实际应用中的可行性。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）技术在(0001)取向的体衬底GaN上外延生长双势垒GaN/AlN异质结构。
• 利用标准半导体工艺技术制备共振隧穿二极管，以实现电学表征。
• 在室温下进行电流-电压（I-V）测量，以提取NDC行为、峰值电流密度及峰值与谷值电流比（PVR）。
• 通过反向偏置I-V测量识别出与异质结构中极化场相关的阈值电压。
• 建立解析静电模型，以描述能带对齐，包括极化诱导电场，并推导出基于设计参数的共振电压和阈值电压。
• 将模型的理论预测与实验数据对比，验证极化场在决定器件特性中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强烈的极化场，GaN/AlN共振隧穿二极管是否能在室温下实现可重复的负微分电导？
• RQ2 极性异质结构中的极化场如何影响RTDs的共振隧穿行为和阈值电压？
• RQ3 解析静电模型在多大程度上能准确预测GaN/AlN RTDs中的共振电压和开启电压？
• RQ4 在室温下正向偏置条件下，GaN/AlN RTDs可实现的峰值电流密度和峰值与谷值电流比是多少？
• RQ5 所观测到的NDC行为在多个器件间是否具有可重复性，表明其具备实际应用潜力？

主要发现

• GaN/AlN RTDs在室温下表现出可重复的负微分电导，证实了在正向偏置下具有稳定的共振隧穿特性。
• 峰值电流密度达到约6.4 kA/cm²，表明III族氮化物RTDs具备高电流能力。
• 峰值与谷值电流比测量值为约1.3，表明具有中等但可测量的NDC，适用于高频应用。
• 反向偏置工作揭示了明显的开启阈值电压，该电压与异质结构中的极化场直接相关。
• 所开发的解析静电模型成功基于设计参数和极化场预测了共振电压和阈值电压。
• 实验数据与模型之间的良好一致性证实，极化场是极性异质结构RTDs中关键的设计因素。