Simulating the barrier heights impact on the performance of dissimilar electrodes Metal-insulator-metal diode

• Autorzy: Emad, Rafal , Algwari, Qais Th. , Sabaawi, Ahmed M. A.

Warianty tytułu

PL

Symulacja wpływu wysokości bariery na działanie różnych elektrod Metal-izolator-metalowa dioda

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Metal-insulator-metal (MIM) tunnel diodes are desirable for applications including ultra-high frequency rectenna detectors, solar cells, and mixers due to their femtosecond-fast transmission. These applications place strict demands on the current-voltage I(V) properties of diodes. In this paper, a single insulator tunnel diode is simulated using SILVACO ATLAS software to correlate the importance of insulator interfacial stability to MIM rectification performance, which helped to analyse and develop MIM diodes with the desired properties. By keeping the Al2O3 insulator layer, different metals were used as electrodes of the MIM diode to achieve the desired asymmetry. Two schemes of electrode asymmetry were proposed, the first scheme is based on using a metal that produces a constant barrier height at one side of the insulator layer and different barrier heights at the other by using different metals. The second structure implicates using different metals at the sides of the insulator to achieve different barrier heights but with constant barrier differences between the metals. A voltage range of 0.4 V was used to study electrical characteristics. It is found that the MIM structure with fixed barrier height at cathode side produces a good asymmetry with poor nonlinearity, while the results of fixed barrier height at anode side reveals that the figure of merit (FOM) strongly depends on the work function difference of the metals of the MIM structure. For the constant barrier differences, it is found that the smaller the barrier height the larger the current response produced and the lower the turn on voltage. The impact of insulator thickness on the diode FOM shows that the lowest thickness produces the highest asymmetry and nonlinearity.

PL

Diody tunelowe typu metal-izolator-metal (MIM) są pożądane w zastosowaniach, w tym w detektorach prostokątnych ultrawysokiej częstotliwości, ogniwach słonecznych i mikserach ze względu na ich szybką transmisję femtosekundową. Te zastosowania nakładają surowe wymagania na właściwości prądowo-napięciowe I(V) diod. Przeprowadziliśmy symulację pojedynczej diody tunelowej izolatora za pomocą oprogramowania SILVACO ATLAS, aby skorelować znaczenie stabilności międzyfazowej izolatora z wydajnością prostowania MIM, co pomogło nam przeanalizować i opracować diody MIM o pożądanych właściwościach. Zachowując warstwę izolatora Al2O3, zastosowano różne metale jako elektrody diody MIM w celu uzyskania asymetrii elektrody. Zaproponowano dwa schematy asymetrii elektrod, pierwszy schemat opiera się na zastosowaniu metalu, który wytwarza stałą wysokość bariery po jednej stronie warstwy izolatora i różne wysokości bariery po drugiej, przy użyciu różnych metali. Druga struktura implikuje użycie różnych metali po bokach izolatora w celu uzyskania różnych wysokości bariery, ale przy stałych różnicach bariery między metalami. Do badania charakterystyk elektrycznych wykorzystano zakres napięcia 0,4 V. Stwierdzono, że struktura MIM ze stałą wysokością bariery po stronie katody daje dobrą asymetrię ze słabą nieliniowością, podczas gdy wyniki ze stałą wysokością bariery po stronie anody pokazują, że liczba zasług (FOM) jest silnie zależna od różnicy pracy wyjścia posiłki struktury MIM. Stwierdzono, że dla stałych różnic barierowych im mniejsza wysokość bariery, tym większa odpowiedź prądowa i niższe napięcie włączenia. Wpływ grubości izolatora na diodę FOM pokazuje, że najmniejsza grubość izolatora powoduje największą asymetrię i nieliniowość.

Słowa kluczowe

PL

Dioda MIM; tunelowanie; asymetria elektrod; Silvaco Atlas

EN

MIM diode; tunnelling; electrode asymmetry; Silvaco Atlas

• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 11
• Strony: 141--145
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Emad, Rafal

• College of Electronics Engineering, Ninevah University, Mosul, Iraq

autor

Algwari, Qais Th.

• College of Electronics Engineering, Ninevah University, Mosul, Iraq

autor

Sabaawi, Ahmed M. A.

• College of Electronics Engineering, Ninevah University, Mosul, Iraq

Bibliografia

• [1]-C. B. Duke, Tunneling in Solids (Academic Press, New York, 1969).
• [2]-E. L. Wolf, Principles of Electron Tunneling Spectroscopy (Oxford University Press, New York, 1985).
• [3]-V. Garcia and M. Bibes, Nat. Commun. 5, 4289 (2014).
• [4]- R. Ferreira, in Semiconductor Modeling Techniques, ed: Springer, 2012, pp. 1-17.
• [5]- L. Esaki, "Long journey into tunneling," Science, vol. 183, pp. 1149-1155, 1974.
• [6]- B. R. Pamplin,Prefix Molecular beam epitaxy in Molecular beam epitaxy: Elsevier,2017.
• [7]- F. Capasso, "Band-gap engineering: from physics and materials to new semiconductor devices," Science, vol. 235, pp. 172-176, 1987.
• [8]-Azad, M. K. Ram, D. Y. Goswami, and E. Stefanakos, Proc. SPIE (2016)9819
• [9]-M.Abdel-Rahman ,M. N. Gadalla,and A. Shamim, “Design, optimization and fabrication of a 28.3 THz nano-rectennaforinfrareddetection and rectification,” Sci. Rep. 4, (2015) 4270
• [10]-E.Donchev,J.S.Pang, P. M. Gammon, A. Centeno, F. Xie, P. K. PetrovJ. D. Breeze, M. P. Ryan, D. J. Riley, and N. M. Alford, “The rectenna device: From theory to practice (a review),” MRS Energy Sustain. 1, E1(2014).
• [11]-K.ZBhatt and C.C. Tripathi, “Comparative analysis of efficient diode design for terahertz wireless power transmission system,” Ind. J. Pure Appl.Phys.53, 827–836 (2015); available at http://nopr.niscair.res.in handle/123456789/33473./
• [12]-S.Grover and G.Moddel,“Applicability of metal/insulator/metal(MIM)diodesto solar rectennas," IEEE J. Photovoltaics, vol. 1, no. 1, pp. 78Jul. (2011).
• [13]-K. Choi, M. Dagenais, F. Yesilkoy, A. N. Chryssis, and M. C. Peckerar"Solar spectrum rectification using nano-antenna and tunneling diodes". Proc. SPIE, vol. 7605, pp. 1–12, Feb. (2010).
• [14]-Heiblum and Mordehai. "Tunneling hot electron transfer amplifiers (THETA): Amplifiers operating up to the infrared." Solid-State Electronics 24.4 (1981): 343-366.
• [15]-S. Krishnan , H. La Rosa , E. Stefanakos , S. Bhansali , K. Buckle , Sen A: 2008, 142, 40 – 4z Actuators.
• [16]- Riviere, J.C, Work Function: Measurements and Results,inSolidStateSurfaceScience,Vol.1,Green,M,Editor,Deck er,New York,1969.
• [17]- Holzl, J, and Schulte, F.K., Work Functions of Metals,inSolidSurfacephysics,Hohler,G,Editor,Springer-Verlag,Berlin,1979.
• [18]- P. Periasamy , J. J. Berry , A. A. Dameron , J. D. Bergeson D. S. Ginley , R. P. O’Hayre, and P. A. Parilla , Adv. Mater. 2011, 23, 3080.
• [19]- Simmons J.G. Journal of Applied Physics, 34 (1963), No. 9, 2581-2590.
• [20]- Singh A., Pratap R., Thin Solid Films 87 (1982), No.87, 147– 150
• [21]- Prakash P., Harvey L. Guthrey, Aziz I. Abdulagatov, Paul F. Ndione, Joseph J. Berry, David S. Ginley, Steven M. George, Philip A. Parilla, Ryan P. O'Hayre, Adv. Materials. 25 (2013), 1301–1308
• [22]- Fu-Chien Chiu, Advances in Materials Science and Engineering (2014), 578168
• [23]- Michaelson,H.B.,J.Appl,phys,48,4729,1977.
• [24]- F. Aydinoglu, M. Alhazmi, S. Algarni, B. Cui, O. M. Ramahi, M. Yavuz, "Design and Fabrication of Pt-Al2O3-AlMetal-Insulator-MetalDiode", 24th Canadian Congress of Applied Mechanics, 2013, Saskatoon, SK: Canada.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.11.24