Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems

Interface roughness scattering effect on electrical properties of heterojunctions

Document Type : Original Article

Authors

1 Department of Physics, West Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

2 Department of Physics, K.N. Toosi University of Technology, P.O. Box 15875-4416, Tehran, Iran

3 Center for Asset Integrity Management, University of Pretoria, Pretoria, South Africa

Abstract

In the present work, the effect of roughness in resonant tunneling diodes have been considered to track two main goals. At first, the roughness impact on the transport through these heterojunctions has been studied, and then roughness type effect have been also investigated. For calculating the electrical transport, the transfer matrix technique has been used in simulations. Two different standard methods of deposition - Random deposition (RD), and Ballistic deposition (BD)- have been applied to generate two dissimilar rough interfaces. The scattering process cause to reduction of transport probability. The conductivity as a function of voltage has been also calculated. Effect of interface roughness on the peak-to-valley current ratio in the presence of roughness have been discussed. The results show that the scattering affect it significantly. As the applied voltage increase, at first, the value of current reaches to maximum amount, and then with increasing the voltage, the current falls in a negative differential resistance region.

Keywords

Main Subjects

Article Title [Persian]

تاثیر پراکندگی ناشی از ناهمواری بر خواص الکتریکی ساختارهای نامتجانس

Authors [Persian]

  • ژاله ابراهیمی نژاد 1
  • سید فرهاد مسعودی 2
  • امیرهوشنگ رمضانی 1
  • سمیه عسگری 1

1 گروه فیزیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران غرب، تهران، ایران

2 دانکده فیزیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی تهران ایران

3 دانشگاه پورتریا ، پورتریا،آفریقای جنوبی

Abstract [Persian]

در کار حاضر، دیودهای تونل زنی تشدید برای دو هدف بررسی شده‌اند. هدف اول، مطالعه نقش ناهمواری بر ترابرد از میان ساختارهای تونل‌زنی و هدف دوم بررسی تاثیر نوع ناهمواری بر ترابرد است. روش ماتریس انتقال در این تحقیق استفاده شده است. به منظور تاثیر دادن ناهمواری در فصول مشترک ساختارها و بررسی آن بر ترابرد الکترونی از دو مدل استاندارد رشد برای تولید فصول مشترک استفاده شده است. فصول مشترک اول و سوم از یک ساختار تونل زنی دوسدی، با دو نوع متفاوت از رشد، ناهموار در نظر گرفته شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که فرآیند پراکندگی منجر به کاهش احتمال عبور از ساختارها می‌گردد. همچنین، رسانندگی به عنوان تابعی از ولتاژ، محاسبه شده است. اثرات ناهمواری فصل مشترک بر نسبت قله به دره نیز مطالعه شده است. بر طبق نتایج، با افزایش ولتاژ اعمالی، در ابتدا مقدار جریان به بیشینه مقدار رسیده و سپس با افزایش بیشتر ولتاژ، جریان در یک منطقه مقاومت دیفرانسیلی منفی کاهش می‌یابد. فرآیند پراکندگی بر مقدار دره‌ی جریان تونل زنی تشدید اثر می‌گذارد.

Keywords [Persian]

  • مدل نشست استاندارد
  • ترابرد
  • چگالی جریان
  • ناهمواری
[1] V. Nam Do et al, “Transport and noise in resonant tunneling diode using self-consistent Green’s function calculation” Journal of Applied Physics 100 (2006) 093705.
[2] M. Feiginov, “Frequency Limitations of Resonant-Tunnelling Diodes in Sub-THz and THz Oscillators and Detectors” Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 40 (2019) 365.
[3] A. Khalatpour et al, “High-power portable terahertz laser systems”, Nat. Photonics 15 (2021) 16.
[4] L. H. Li et al, “Multi-Watt high-power THz frequency quantum cascade lasers” Electron. Lett. 53 (2017) 799.
[5] Y.Jin, J. L. Reno, S.Kumar, mode. “Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode” Optica 7 (2020) 708.
[6] H.Zhang, et al., “1039 kA/cm2 peak tunneling current density in GaN-based resonant tunneling diode with a peak-to-valley current ratio of 1.23 at room temperature on sapphire substrate”, Appl. Phys. Lett. 119 (2021) 153506.
[7] M. Nagase et,al, “Growth and Characterization of GaN/AlN resonant tunneling diodes for high-performance nonvolatile memory”, Physica Status Solidi (A) Applications and Materials 218 (2020) 3.
[8] S. B. Tekin et al, “Single and triple insulator Metal-Insulator-Metal diodes for infrared rectennas” Solid-State Electronics 185 (2021) 108096.
[9] E. M. Cornuelle et al, “Effects of growth temperature on electrical properties of GaN/AlN based resonant tunneling diodes with peak current density up to 1.01 MA/cm2” AIP Advances 10 (2020) 055307.
[10] A. Belkadi et al, “ Demonstration of resonant tunneling effects in metal-double-insulator-metal (MI 2M) diodes” Nature Communications 12  (2021) 2925.
[11] A. L. Barabasi and H. E. Stanley, “Fractal Concepts in Surface Growth” Cambridge University Press, New York, (1995).
[12] M. Asada and S. Suzuki, “Terahertz emitter using resonant-tunneling diode and applications” Sensors 21 (2021) 1384.
[13] S. Komiyama, “Far-infrared emission from population-inverted hot-carrier system in p-Ge” Phys. Rev. Lett. 48 (1982) 271.
[14] R. Köhler et al, “High-performance continuous-wave operation of superlattice terahertz quantum-cascade lasers” Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 1518.
[15] B. S. Williams, “Terahertz quantum-cascade lasers” Nat. Photonics 1 (2007) 517.
[16] E. X. Ping and H. X. Jiang, “Resonant tunneling of double-barrier quantum wells affected by interface roughness” Phys. Rev. B 40 (1989) 11792.
 
[17] H. C. Liu and D. D. Coon, “Interface-roughness and island effects on tunneling in quantum wells” J. Appl. Phys. 64 (1988) 6785.
[18] U. Fano, “Effects of configuration interaction on intensities and phase shifts
” Phys. Rev. 124 (1961) 1866.
[19] K. Cherkasov, S. Meshkov, M. Makeev, M. Makeev, Y. Ivanov, International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities And Sustainable Energy Technologies EMMFT 2 (2018) 626.
[20] W. Zhang, et al, “Analysis of excitability in resonant tunneling diode-photodetectors” Nanomaterials 11 (2021) 1590.
[21] P. Ruterana et al, “The structure of ultrathin C/W and Si/W multilayers for high performance in soft x‐ray optics” J. Appl. Phys. 65 (1989) 3907.
Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems
Volume 5, Issue 1
November 2021
Pages 429-433