Вплив легування на ефективність роботи GaAs - діодів з бічною границею на основі варізонного GaInAs
Анотація
Актуальність. Розвиток сучасних систем зв’язку, безпеки та медицини потребує компактних джерел терагерцового випромінювання які здатні працювати при нормальних умовах. Одним з приладів, які здатні забезпечити генерацію терагерцових коливань у низькочастотній частині терагерцового діапазону залишаються діоди, що працюють на ефекті міждолинного перенесення електронів. Модифікація планарних варіантів таких приладів дозволяє підвищити ефективність та граничні частоти їх роботи. Планарні діоди, що містять бічну активну границю, яка являє собою варізонний напівпровідник розглядаються як можливі твердотілі джерела терагерцового випромінювання. Оптимізація їх параметрів є важливий процес, що дозволить підвищити ефективність їх роботи.
Метою роботи є дослідження впливу концентрації легуючої домішки на характеристики планарних GaAs- діодів з активною бічною границею на основі варізонного InGaAs
Методи і методологія. Для отримання характеристик діода проводиться числове моделювання процесів переносу заряду в ньому з використання багаточастинкового методу Монте-Карло з врахуванням усіх актуальних механізмів розсіяння та процесу ударної іонізації. У роботі обчислюються залежності густини струму при різній величині постійної напруги на діоді, а також визначаються оптимізовані за діючою напругою на діоді ефективності та потужності змінного струму при роботі діода в режимі генерації. Всі обчислення проводяться для різних концентрацій донорної домішки в каналі діода та в активній бічній границі на частотах резонатора 200 ГГц та 250 ГГц.
Результати. Показано існування оптимальних концентрацій та співвідношення між концентраціями в каналі діода та бічній границі. Максимальна величина ефективності відповідає концентрації в каналі близько 1017 см-3 та концентраціям донорної домішки активній бічній границі 2·1016 см-3 при генерації на частоті 250 ГГц.
Висновки. Оптимальна концентрація для GaAs- діода Ганна з довжиною 1,28 мкм є більшою 1017 cm-3 в каналі діода і складає близько 2·1016 cm-3 у АБГ. Існує можливість отримання оптимальних умов для генерації на максимальних частотах роботи діода.
Завантаження
Посилання
2. Wei L, Yu L, Jiaoqi H, Guorong H, Yang Z, Weiling F. Application of terahertz spectroscopy in biomolecule detection. Frontiers in Laboratory Medicine. 2018 Dec;2(4):127–33.
3. Vafapour Z, Keshavarz A, Ghahraloud H. The potential of terahertz sensing for cancer diagnosis. Heliyon. 2020 Dec 3 ;6(12): e05623.
4. Arnone DD, Ciesla CM, A. Corchia, Shunji Egusa, Pepper M, Chamberlain JM, et al. Applications of terahertz (THz) technology to medical imaging. Proceedings of SPIE. 1999 Sep 9.
5. Oshima N, Hashimoto K, Suzuki S, Asada M. Wireless data transmission of 34 Gbit/s at a 500-GHz range using resonant-tunnelling-diode terahertz oscillator. Electronics Letters. 2016 Oct 27;52(22):1897–8.
6. Abdullah Al-Khalidi, Wang J, Wasige E. Compact J-band Oscillators With 1mW RF output Power and Over 110 GHz Modulation Bandwidth. Enlighten: Publications (The University of Glasgow). 2018 Sep 1.
7. Appleby R, Wallace HB. Standoff Detection of Weapons and Contraband in the 100 GHz to 1 THz Region. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007 Nov;55(11):2944–56.
8. Song HJ, Tadao Nagatsuma. Handbook of Terahertz Technologies. CRC Press; 2015.
9. Isogawa T, Kumashiro T, Song HJ, Ajito K, Kukutsu N, Iwatsuki K, et al. Tomographic Imaging Using Photonically Generated Low-Coherence Terahertz Noise Sources. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2012 Sep;2(5):485–92.
10. Chan WL, Deibel J, Mittleman DM. Imaging with terahertz radiation. Reports on Progress in Physics. 2007 Jul 12;70(8):1325–79.
11. Vitiello MS, Alessandro Tredicucci. Physics and technology of Terahertz quantum cascade lasers. Advances in physics: X. 2021 Jan 1;6(1).
12. Khalatpour A, Paulsen A, Deimert C, Wasilewski ZR, Hu Q. High-power portable terahertz laser systems. Nature Photonics. 2020 Nov 2;15(1):16–20.
13. Izumi R, Suzuki S, Asada M. 1.98 THz resonant-tunneling-diode oscillator with reduced conduction loss by thick antenna electrode. 2017 Aug 1.
14. Dai Y, Lu Z, Ye Q, Dang J, Zhao S, Lei X, et al. Study of InxGa1-xN/GaN Homotype Heterojunction IMPATT Diodes. IEEE Transactions on Electron Devices. 2021 Nov 1;68(11):5469–75.
15. Xiu-sheng L, Yang L, Zhang X, Ma X, Hao Y. GaN/AlxGa1−xN/GaN heterostructure IMPATT diode for D-band applications. Applied Physics A. 2019 Feb 23;125(3).
16. Sze SM. Modern Semiconductor Device Physics. Wiley-Interscience; 1998.
17. Sze SM, Ng KK. Physics of semiconductor Devices. John Wiley & Sons; 2006.
18. Eisele H, Naftaly M, Fletcher JR, Steenson DP, Stone MR. The Study of Harmonic-Mode Operation of GaAs TUNNETT Diodes and InP Gunn Devices Using a Versatile Terahertz Interferometer. Proceedings of the 15th International Symposium on Space Terahertz. 2004 Jan 1;336.
19. Hajo AS, Oktay Yilmazoglu, A. Dadgar, Franko Küppers, Kusserow T. Reliable GaN-Based THz Gunn Diodes With Side-Contact and Field-Plate Technologies. IEEE Access. 2020 Jan 1; 8:84116–22.
20. Storozhenko ІP. Frequency characteristics of diodes with intervalley electron transfer that are based on variband Inx(z)Ga1-x(z)As with various cathode contacts. Journal of Communications Technology and Electronics. 2007 Oct 1;52(10):1158–64.
21. Storozhenko IP. InP1-x(z)Asx(z) Variband Gunn Diodes with Different Cathode Contacts. Telecommunications and Radio Engineering. 2007;66(19):1775–90.
22. Shur MS. GaAs Devices and Circuits. Springer eBooks. 1987.
23. Khalid A, Pilgrim NJ, Dunn GM, Holland M, Stanley CR, Thayne I, et al. A Planar Gunn Diode Operating Above 100 GHz. IEEE Electron Device Letters. 2007 Oct 1;28(10):849–51.
24. Montes M, Dunn GM, Stephen A, Khalid A, Li C, David, et al. Reduction of Impact Ionization in GaAs-Based Planar Gunn Diodes by Anode Contact Design. IEEE Transactions on Electron Devices. 2012 Mar 1;59(3):654–60.
25. Botsula OV, Zozulia VO. Energy and Frequency Properties of Planar n+-n-n+ Diodes with Active Side Boundary. Journal of Nano-and electronic Physics. 2021 Jan 1;13(6):06028-4.
26. Zozulia VO, Botsula OV, Prykhodko КH, Sanin S, Katrich G, Fedosova S. Planar GaAs-InGaAs Heterostructure for Generation in Long Wave Part of Terahertz Range. 2022 IEEE 3rd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek). 2022 Oct 3.
27. Botsula OV, Zozulia VO. Generation of THz Oscillations by Diodes with Resonant Tunneling Boundaries. Journal of Nano-and electronic Physics. 2020 Jan 1;12(6):06037-4.
28. Brennan KF, Mansour NS. Monte Carlo calculation of electron impact ionization in bulk InAs and HgCdTe. Journal of Applied Physics. 1991 Jun 1;69(11):7844–7.
29. Botsula OV, Prykhodko КH, Zozulia VO. Impact ionization in graded gap transferred electron diode. 2021 IEEE 3rd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON). 2021 Aug 26.
30. Birdsall CK, Fuss D. Clouds-in-clouds, clouds-in-cells physics for many-body plasma simulation. Journal of Computational Physics. 1969 Apr 1;3(4):494–511.
31. Joppich W, Mijalković S. Multigrid methods for process simulation. Microelectronics Journal. 1995 Mar 1;26(2–3):xxvii–xxviii.
32. Приходько КГ, Боцула ОВ, Зозуля ВО. Особливості розвитку ударної іонізації в напівпровідникових сполуках InGaN та InAlN. Вісник Харківського Національного Університету Імені ВН Каразіна. 2021 Червень 30;(34):19–28.
33. Vurgaftman I, Meyer JR, Ram‐Mohan LR. Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys. Journal of Applied Physics. 2001 Jun 1;89(11):5815–75.
34. Adachi S. Properties of semiconductor alloys: Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors. John Wiley & Sons; 2009.
35. Iniguez-De-La-Torre A, Íñiguez-De-La-Torre I, Matéos J, González T, Sangaré P, Faucher M, et al. Searching for THz Gunn oscillations in GaN planar nanodiodes. Journal of Applied Physics. 111(11).
36. Rolland PA, Friscourt, Salmer G, Constant E. Theoretical study of 100 GHz GaAs transferred-electron devices. Journal De Physique Colloque. 1981 Oct 1;42(C7):C7-176.
