Evaluation of the photoresponse in wurtzite GaN photoconductive switches is presented based on kinetic Monte Carlo simulations. The focus is on electron transport physics and assessment of high frequency operation. The roles of GaN band structure, Pauli exclusion, and treatment of internal fields based on the fast multipole method are all comprehensively included. The implementation was validated through comparisons of velocity-field characteristics for GaN with computational results in the literature. Photocurrent widths of less than ∼7 ps for the 1 μm device can be expected, which translates into a 100 GHz upper bound. Photocurrent pulse compression below the laser full width at half maxima at high applied fields are predicted based on the interplay of space-charge effects and the negative differential velocity characteristics of GaN.

1.
D. H.
Auston
,
Appl. Phys. Lett.
26
,
101
(
1975
).
2.
A.
Rosen
and
F. J.
Zutavern
,
High-Power Optically Activated Solid State Switches
(
Artech House
,
Boston
,
1993
).
3.
R.
Tiskumara
,
R. P.
Joshi
,
D.
Mauch
,
J. C.
Dickens
, and
A. A.
Neuber
,
J. Appl. Phys.
118
,
095701
(
2015
).
4.
K. S.
Kelkar
,
N. E.
Islam
,
C. M.
Fessler
, and
W. C.
Nunnally
,
J. Appl. Phys.
100
,
124905
(
2006
).
5.
S.
Dogan
,
A.
Teke
,
D.
Huang
,
H.
Morkoc
,
C. B.
Roberts
,
J.
Parish
,
B.
Ganguly
,
M.
Smith
,
R. E.
Myers
, and
S. E.
Saddow
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
3107
(
2003
).
6.
R. P.
Joshi
and
D. C.
Stoudt
, “
Photoconductive switches
,” in
Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering
(
Wiley
,
New York
,
1999
).
7.
P.
Kayasit
,
R. P.
Joshi
,
N. E.
Islam
,
E.
Schamiloglu
, and
J.
Gaudet
,
J. Appl. Phys.
89
,
1411
(
2001
).
8.
D. C.
Stoudt
,
K. H.
Schoenbach
,
R. P.
Brinkmann
,
V. K.
Lakdawala
, and
G. A.
Gerdin
,
IEEE Trans. Electron Devices
37
,
2478
(
1990
).
9.
A. R.
Chowdhury
,
S.
Nikishin
,
J.
Dickens
,
A.
Neuber
,
R. P.
Joshi
, and
R.
Ness
,
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.
26
,
469
(
2019
).
10.
M.
Rais-Zadeh
,
V. J.
Gokhale
,
A.
Ansari
,
M.
Faucher
,
D.
Théron
,
Y.
Cordier
, and
L.
Buchaillot
,
J. Microelectromech. Syst.
23
,
1252
(
2014
).
11.
X.
Chen
,
Y.
Zhong
,
Y.
Zhou
,
H.
Gao
,
X.
Zhan
,
S.
Su
,
X.
Guo
,
Q.
Sun
,
Z.
Zhang
,
W.
Bi
, and
H.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
263501
(
2020
).
12.
A.
Armstrong
,
A. R.
Arehart
,
D.
Green
,
U. K.
Mishra
,
J. S.
Speck
, and
S. A.
Ringel
,
J. Appl. Phys.
98
,
053704
(
2005
).
13.
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
152108
(
2010
).
14.
V.
Bougrov
,
M. E.
Levinshtein
,
S. L.
Rumyantsev
, and
A.
Zubrilov
, in
Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe
, edited by
M. E.
Levinshtein
,
S. L.
Rumyantsev
, and
M. S.
Shur
(
John Wiley & Sons, Inc.
,
New York
,
2001
), pp.
1
30
.
15.
Q. Z.
Liu
,
L. S.
Yu
,
F.
Deng
,
S. S.
Lau
, and
J. M.
Redwing
,
J. Appl. Phys.
84
,
881
(
1998
).
16.
Q. Z.
Liu
,
L. S.
Yu
,
S. S.
Lau
,
J. M.
Redwing
,
N. R.
Perkins
, and
T. F.
Kuech
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
1275
(
1997
).
17.
G. L.
Chen
,
F. C.
Chang
,
K. C.
Shen
,
J.
Ou
,
W. H.
Chen
,
M. C.
Lee
,
W. K.
Chen
,
M. J.
Jou
, and
C. N.
Huang
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
595
(
2002
).
18.
J. K.
Sheu
,
Y. K.
Su
,
G. C.
Chi
,
M. J.
Jou
, and
C. M.
Chang
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
3317
(
1998
).
19.
S.
Tongay
,
M.
Lemaitre
,
T.
Schumann
,
K.
Berke
,
B. R.
Appleton
,
B.
Gila
, and
A. F.
Hebard
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102102
(
2011
).
20.
S.
Kim
,
T. H.
Seo
,
M. J.
Kim
,
K. M.
Song
,
E.
Suh
, and
H.
Kim
,
Nano Res.
8
,
1327
(
2015
).
21.
A.
Asenov
,
IEEE Trans. Electron Devices
45
,
2505
(
1998
).
22.
A.
Asenov
and
S.
Saini
,
IEEE Trans. Electron Devices
46
,
1718
(
1999
).
23.
V. V. A.
Camargo
,
A. C. J.
Rossetto
,
D.
Vasileska
, and
G. I.
Wirth
,
J. Comput. Electron.
19
,
668
(
2020
).
24.
A.
Asenov
,
A. R.
Brown
,
J. H.
Davies
,
S.
Kaya
, and
G.
Slavcheva
,
IEEE Trans. Electron Devices
50
,
1837
(
2003
).
25.
D.
Sanchez-Portal
,
P.
Ordejon
,
E.
Artacho
, and
J. M.
Soler
,
Int. J. Quantum Chem.
65
,
453
(
1997
).
26.
E.
Artacho
,
D.
Sanchez-Portal
,
P.
Ordejon
,
A.
Garcıa
, and
J. M.
Soler
,
Phys. Status Solidi B
215
,
809
(
1999
).
27.
D. M.
Ceperley
and
B. J.
Alder
,
Phys. Rev. Lett.
45
,
566
(
1980
).
28.
S.
Perdew
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
32
,
5048
(
1981
).
29.
M.
Zebarjadi
,
C.
Bulutay
,
K.
Esfarjani
, and
A.
Shakouri
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
092111
(
2007
).
30.
P.
Lugli
and
D. K.
Ferry
,
IEEE Trans. Electron Devices
32
,
2431
(
1985
).
31.
D.
Vasileska
,
H. R.
Khan
, and
S. S.
Ahmed
,
J. Comput. Theor. Nanosci.
5
,
1793
(
2008
).
32.
S.
Bosi
and
C.
Jacoboni
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
9
,
315
(
1976
).
33.
C.
Jacoboni
and
L.
Reggiani
,
Rev. Mod. Phys.
55
,
645
(
1983
).
34.
35.
R.
Beatson
and
L.
Greengard
, “
A short course on fast multipole methods
,” in
Wavelets, Multi-level Methods and Elliptic PDEs (Leicester, 1996)
, Numerical Mathematics and Scientific Computation (
Oxford University Press
,
New York
,
1997
), pp.
1
37
.
36.
R. W.
Hockney
and
J. W.
Eastwood
,
Computer Simulation Using Particles
(
McGraw-Hill
,
New York
,
1981
).
37.
M.
Sanati
and
S. K.
Estreicher
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
L327
(
2004
).
38.
L.
Kleiman
and
D. M.
Bylander
,
Phys. Rev. Lett.
48
,
1425
(
1982
).
39.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
40.
See http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaN/ for GaN parameters and properties.
41.
J. P.
Perdew
,
W.
Yang
,
K.
Burke
,
Z.
Yang
,
E. K. U.
Gross
,
M.
Scheffler
,
G. E.
Scuseria
,
T. M.
Henderson
,
I. Y.
Zhang
,
A.
Ruzsinszky
,
H.
Peng
,
J.
Sun
,
E.
Trushin
, and
A.
Görling
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
114
,
2801
(
2017
).
42.
D.
Bagayoko
,
AIP Adv.
4
,
127104
(
2014
).
43.
A.
Reklaitis
and
L.
Reggiani
,
J. Appl. Phys.
95
,
7925
(
2004
).
44.
B. E.
Foutz
,
S. K.
O'Leary
,
M. S.
Shur
, and
L. F.
Eastman
,
J. Appl. Phys.
85
,
7727
(
1999
).
45.
R. P.
Joshi
,
V.
Sridhara
,
P.
Shah
, and
R.
del Rosario
,
J. Appl. Phys.
93
,
4836
(
2003
).
46.
T.
Li
,
R. P.
Joshi
, and
C.
Fazi
,
J. Appl. Phys.
88
,
829
(
2000
).
47.
M.
Goano
,
E.
Bellotti
,
E.
Ghillino
,
G.
Ghione
, and
K. F.
Brennan
,
J. Appl. Phys.
88
,
6467
(
2000
).
48.
F.
El-Ela
and
A.
Mohamed
,
ISRN Condens. Matter Phys.
2013
,
654752
(
2013
).
49.
D. K.
Ferry
,
Phys. Rev. B
14
,
1605
(
1976
).
50.
S. K.
O’Leary
,
P.
Siddiqua
,
W. A.
Hadi
,
B. E.
Foutz
,
M. S.
Shur
, and
L. F.
Eastman
, “
Electron transport within III-V nitride semiconductors
,” in
Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials
, edited by
S.
Kasap
and
P.
Capper
(
Springer
,
Cham
,
2017
).
51.
S.
Vitanov
,
M.
Nedjalkov
, and
V.
Palankovski
, in International Conference on Numerical Methods and Applications (2006), pp. 197–204.
52.
S.
Vitanov
,
M.
Nedjalkov
, and
V.
Palankovski
, “
A Monte Carlo model of piezoelectric scattering in GaN
,” in
Numerical Methods and Applications (NMA)
, Lecture Notes in Computer Science Vol. 4310, edited by
T.
Boyanov
,
S.
Dimova
,
K.
Georgiev
, and
G.
Nikolov
(
NMA
,
2006
). (
Springer
,
Berlin
,
2007
).
53.
G.
Kokolakis
,
F.
Compagnone
,
A.
Di Carlo
, and
P.
Lugli
,
Phys. Status Solidi A
195
,
618
(
2003
).
54.
I. H.
Oguzman
,
E.
Bellotti
,
K. F.
Brennan
,
J.
Kolnık
,
R.
Wang
, and
P. P.
Ruden
,
J. Appl. Phys.
81
,
7827
(
1997
).
55.
U. V.
Bhapkar
and
M. S.
Shur
,
J. Appl. Phys.
82
,
1649
(
1997
).
56.
D.
Vasileska
,
W. J.
Gross
, and
D. K.
Ferry
, “Modeling of deep-submicrometer MOSFET’s: Random impurity effects, threshold voltage shifts and gate capacitance attenuation,” in
Extended Abstracts of 1998 6th International Workshop on Computational Electronics, Osaka, Japan, 19–21 October 1998
(IEEE, 2002).
57.
J.
Kolnik
,
I. H.
Oguzman
,
K. F.
Brennan
,
R.
Wang
,
P. P.
Ruden
, and
Y.
Wang
,
J. Appl. Phys.
78
,
1033
(
1995
).
58.
O.
Madelung
,
Physics of Group IV Elements and III-V Compounds
, Group III, Landolt-Bornstein New Series, Vols. 17a and 22a (
Springer-Verlag
,
Berlin
,
1981
).
59.
J. D.
Albrecht
,
R. P.
Wang
,
P. P.
Ruden
,
M.
Farahmand
, and
K. F.
Brennan
,
J. Appl. Phys.
83
,
4777
(
1998
).
60.
B. K.
Ridley
,
Quantum Processes in Semiconductors
(
Oxford Science Publications
,
Oxford
,
1982
).
61.
M. V.
Fischetti
and
S. E.
Laux
,
Phys. Rev. B
38
,
9721
(
1988
).
62.
B.
Gelmont
,
K.
Kim
, and
M.
Shur
,
J. Appl. Phys.
74
,
1818
(
1993
).
63.
W.
Fawcett
,
A. D.
Boardman
, and
S.
Swain
,
J. Phys. Chem. Solids
31
,
1963
(
1970
).
64.
M.
Bockowski
,
M.
Iwinska
,
M.
Amilusik
,
B.
Lucznik
,
M.
Fijalkowski
,
E.
Litwin-Staszewska
,
R.
Piotrzkowski
, and
T.
Sochacki
,
J. Cryst. Growth
499
,
1
(
2018
).
65.
E.
Richter
,
F. C.
Beyer
,
F.
Zimmermann
,
G.
Gärtner
,
K.
Irmscher
,
I.
Gamov
,
J.
Heitmann
,
M.
Weyers
, and
G.
Tränkle
,
Cryst. Res. Technol.
55
,
1900129
(
2020
).
66.
C. H.
Seager
,
A. F.
Wright
,
J.
Yu
, and
W.
Götz
,
J. Appl. Phys.
92
,
6553
(
2002
).
67.
D. D.
Koleske
,
A. E.
Wickenden
,
R. L.
Henry
, and
M. E.
Twigg
,
J. Cryst. Growth
242
,
55
(
2002
).
68.
P.
Deák
,
M.
Lorke
,
B.
Aradi
, and
T.
Frauenheim
,
Phys. Rev. B
99
,
85206
(
2019
).
69.
M. A.
Reshchikov
,
M.
Vorobiov
,
D. O.
Demchenko
,
Ü.
Özgür
,
H.
Morkoç
,
A.
Lesnik
,
M. P.
Hoffmann
,
F.
Hörich
,
A.
Dadgar
, and
A.
Strittmatter
,
Phys. Rev. B
98
,
125207
(
2018
).
70.
W. J.
Gross
,
D.
Vasileska
, and
D. K.
Ferry
,
IEEE Electron Device Lett.
20
,
463
(
1999
).
71.
W. J.
Gross
,
D.
Vasileska
, and
D. K.
Ferry
,
IEEE Trans. Electron Devices
47
,
1831
(
2000
).
72.
S. M.
Ramey
and
D. K.
Ferry
,
IEEE Trans. Nanotech.
2
,
193
(
2003
).
73.
S. M.
Ramey
and
D. K.
Ferry
,
Semicond. Sci. Technol.
19
,
S238
(
2004
).
74.
C. J.
Wordelman
and
U.
Ravaioli
,
IEEE Trans. Electr. Devices
47
,
410
(
2000
).
76.
F.
Ethridge
and
L.
Greengard
,
SIAM J. Sci. Comput.
23
,
741
(
2001
).
78.
A.
Arnold
,
F.
Fahrenberger
,
C.
Holm
,
O.
Lenz
,
M.
Bolten
,
H.
Dachsel
,
R.
Halver
,
I.
Kabadshow
,
F.
Gähler
,
F.
Heber
,
J.
Iseringhausen
,
M.
Hofmann
,
M.
Pippig
,
D.
Potts
, and
G.
Sutmann
,
Phys. Rev. E
88
,
063308
(
2013
).
79.
R. P.
Joshi
and
D. K.
Ferry
,
Phys. Rev. B.
43
,
9734
(
1991
).
80.
J. T.
Manassah
,
M. A.
Mustafa
,
R. R.
Alfano
, and
P. P.
Ho
,
IEEE J. Quantum Electron.
22
,
197
(
1986
).
81.
J. M.
Barker
,
R.
Akis
,
D. K.
Ferry
,
S. M.
Goodnick
,
T. J.
Thornton
,
D. D.
Koleske
,
A. E.
Wickenden
, and
R. L.
Henry
,
Physica B
314
,
39
(
2002
).
82.
See https://silvaco.com/ for electronic devices simulation tool.
83.
M.
Wraback
,
H.
Shen
,
S.
Rudin
,
E.
Bellotti
,
M.
Goano
,
J. C.
Carrano
,
C. J.
Collins
,
J. C.
Campbell
, and
R. D.
Dupuis
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
3674
(
2003
).
84.
B. K.
Ridley
,
W. J.
Schaff
, and
L. F.
Eastman
,
J. Appl. Phys.
97
,
094503
(
2005
).
85.
C.
Bulutay
,
B. K.
Ridley
, and
N. A.
Zakhleniuk
,
Phys. Rev. B
62
,
15754
(
2000
).
86.
K.
Dowling
, private communication (2021).
87.
V. W. L.
Chin
,
T. L.
Tansley
, and
T.
Osotchan
,
J. Appl. Phys.
75
,
7365
(
1994
).
You do not currently have access to this content.