ÖZET GENİŞ BANT ARALIKLI YARIİLETKENLERDE YÜKSEK ELEKTRİK ALANI ALTINDA İLETİM OLAYLARI Cem Sevik Fizik, Yüksek Lisans Tez Yöneticsi: Yard. Doç. Dr. Ceyhun Bulutay Eylül, 2003 Toplu Monte Carlo (TMC) yöntemi en modern aygıtların benzetimi maksadıyla, geniş bant aralıklı yarı iletkenlerde yüksek elektrik alam altında iletkenliği in celemek için kullanılmaktadır. Bizim amacımız, bu yöntemi kullanarak geniş bant aralıklı yarı iletkenlerde (GaN, AlGaN and A1N gibi) yüksek elektrik alam altında iletkenliği geniş bir şekilde incelemektir. Bu amaca uygun olarak, ilk önce TMC-tabanlı bir bilgisayar yazılımı geliştirilmiştir. Yaklaşımımız hakkında kısa bir girişten sonra yüksek elektrik alam altında çalışabilen üç farklı aygıt incelenmiştir; tek kutuplu n-tipi yapı, çığ fotoalgılayıcıları ve Gunn diyot- ları. Darbe iyonizasyonu ve ilgili sıcak-elektron etkilerini incelemek için 0.1 /im genişliğinde rc-katkılı bölge içeren {n+ - n - n+) yapısı kullamlmıştır. ra-katkıh bölge içerisinde elektron yoğunluğunun durağan-hale ulaşıncaya kadar zamana göre salınım yaptığı görülmüştür. Ayrıca yüksek elektrik alam altında fermiy- onik çakışıklık etkilerinin özellikle n+-katkıh bölgede baskın olduğu gözlenmiştir. AlGaN yapısında elektronların hızının GaN ve A1N yapılarındaki elektronların hızlarının arasında bir değerde olmadığı ve bunun sebebinin de baskın alaşım saçınımınm olduğu saptanmıştır. Daha sonra, GaN ve n-tipi Schottky Al GaN çığ fotoalgılayıcılarınm çarpma ve pico-saniyelik aydınlatma altında zamana göre tepki karakteristiği analiz edilmiştir. GaN foto algılayıcıları konusunda, bizim benzetimlerimiz, hiç bir oturtma parametresine gerek kalmadan mevcut deneysel sonuçlarla makul bir uyum göstermektedir. AlGaN yapısında, yüksek kazanç sağlayan bölgedeki elektrik alanını yükseltmek için Schottky bağlantılı çığ fotoalgüayıcısı yapısının kullanılmasının uygun olduğu tesbit edilmiştir. Öte yandan, AlGaN yapısında, alaşım saçınımınm, aygıtın zamana göre tepkisini yavaşlatığı ve kazanç eşiğini yüksek gerilimlere taşıdığı gözlenmiştir. Son olarak, 120 GHz 'ten 650 GHz 'e kadar gemş-genlikli Gunn salmımları TMC yöntemi ileVI detaylı bir şekilde incelenmiştir. Gnnn diyotların özellikleri hem zorunlu uygu lanan tek-tonlu sinüs gerilimi altında hem de dış rezonans devresine bağlanarak kontrol edilmiştir. Katkılama çentiğinin genişliğinin yüksek harmoniklerdeki ver imi, belirli bir kritik değere kadar olumlu etkilediği gözlenmiştir. Pauli dışarlama etkisinden kaynaklanan çakışıldık etkilerinin ve darbe iyonizasyonunun Gunn diy- otun çalışmasında çok etkili olmadığı görülmüştür. En son olarak, örgü sıcaklığı, kanal katkılaması ve DC beslemesinin, RF dönüştürme verimi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Anahtar sözcükler: Yüksek elektrik alam altında iletim, Toplu Monte Carlo yöntemi, Çığ fotoalgılayıcı, Gunn diyot, Tekkutuplu aygıtlar. ABSTRACT HIGH FIELD TRANSPORT PHENOMENA IN WIDE BANDGAP SEMICONDUCTORS Cem Sevik M.S. in Physics Supervisor: Assist. Prof. Dr. Ceyhun Bulutay September, 2003 The Ensemble Monte Carlo (EMC) method is widely used in the field of com putational electronics related to the simulation of the state of the art devices. Using this technique our specific intention is to scrutinize the high-field transport phenomena in wide bandgap semiconductors (Such as GaN, AlGaN and A1N). For this purpose, we have developed an EMC-based computer code. After a brief introduction to our methodology, we present detailed analysis of three different types of devices, operating under high-field conditions, namely, unipolar n-type structures, avalanche photodiodes (APD) and finally the Gunn diodes. As a test- bed for understanding impact ionization and hot electron effects in sub-micron sized GaN, A1N and their ternary alloys, an n+-n-n+ channel device is employed having a 0.1 /raı-thick n region. The time evolution of the electron density along the device is seen to display oscillations in the unintentionally doped n-region, un til steady state is established. The fermionic degeneracy effects are observed to be operational especially at high fields within the anode n+-region. For Ala.Gai_xN- based systems, it can be noted that due to alloy scattering, carriers cannot acquire the velocities attained by the GaN and A1N counterparts. Next, multiplication and temporal response characteristics under a picosecond pulsed optical illumi nation of p+-n-n+ GaN and n-type Schottky Alo.4Gao.6N APDs are analyzed. For the GaN APD, our simulations can reasonably reproduce the available measured data without any fitting parameters. In the case of AlGaN, the choice of a Schot tky contact APD is seen to improve drastically the field confinement resulting in satisfactory gain characteristics. Moreover, alloy scattering is seen to further slow down the temporal response while displacing the gain threshold to higher fields. Finally, the dynamics of large-amplitude Gunn domain oscillations from 120 GHz to 650 GHz are studied in detail by means of extensive EMC simulations. The basic operation is checked under both impressed single-tone sinusoidal bias and external tank circuit conditions. The width of the doping-notch is observed to iiiIV enhance higher harmonic efficiency at the expense of the fundamental frequency up to a critical value, beyond which sustained Gunn oscillations are ceased. The degeneracy effects due to the Pauli Exclusion principle and the impact ionization are also considered but observed to have negligible effect within the realistic op erational bounds. Finally, the effects of lattice temperature, channel doping and DC bias on the RF conversion efficiency are investigated. Keywords: High field transport, Ensemble Monte Carlo technique, Avalanche photodiodes, Gunn diodes, Unipolar devices. 57