A PLANAR n⁺ –n–n⁺ GaAs DIODE WITH GaInAs-BASED GRADED-GAP ACTIVE SIDE BOUNDARY

• Дата: 2024
• Автори: Zozulia, V. O., Botsula, O. V., Prykhodko, K. H.
• Формат: Стаття
• Мова: Ukrainian
• Опубліковано: Видавничий дім «Академперіодика» 2024
• Теми: millimeter wave; active side boundary (ASB); graded layer; impact ionization; mole fraction; oscillation efficiency; output power; intervalley transfer of electrons
• Онлайн доступ: http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1457
• Назва журналу: Radio physics and radio astronomy

Предмет і мета роботи. Розглядається генерація електромагнітних коливань в міліметровому діапазоні планарними GaAs-діодами з активними бічними границями (АБГ). Діодні структури складаються з GaAs-каналу довжиною близько 1 мкм, який розміщено на напівізолюючій підкладці з напівпровідникового елементу, та варізонного напівпровідникового шару GaInAs, що розташований на його бічній поверхні та електрично з’єднаний з анодом. Метою роботи є оцінка ефективності генерації коливань струму в діоді з АБГ, максимальної вихідної потужності ВВЧ-генератора на базі діода, що навантажений одноконтурним резонатором, встановлення частотних меж його роботи та визначення впливу ударної іонізації та просторового розподілу складу GaInAs у варізонному шарі на енергетичні та частотні характеристики діода.Методи та методологія. Моделювання процесів електронного та діркового транспорту проводиться з використанням двовимірної моделі діода із застосуванням багаточастинкового методу Монте–Карло та повного геометричного багатосіткового методу для визначення розподілу електричного поля в діоді.Результати. Отримано характеристики діодів на постійному струмі та частотні залежності ККД та вихідних потужностей генераторів на їх основі у випадках, коли діоди мали різні параметри АБГ. Проаналізовано вплив ударної іонізації та просторового розподілу складу сполуки GaInAs у варізонному шарі на величину максимальної потужності змінного струму на частотах понад 180 ГГц. Показано можливість генерації змінних електричних струмів з частотами до 300 ГГц. При цьому ефективність генераторів на базі діодів, що досліджуються, є в 2–3 рази більшою, ніж на звичайних планарних діодах на базі GaAs.Висновки. Підтверджено перспективність використання діодів з АБГ для генерації змінного електричного струму з частотою до 300 ГГц. Використання АБГ дає можливість підвищити вихідну потужність пристрою в порівнянні із звичайним планарним діодом та розширити частотний діапазон роботи. Ударна іонізація у варізонному шарі покращує характеристики діода, проте не є визначальним фактором. Найбільший вплив на величину ефективності та вихідну потужність діодного генератора має положення АБГ на бічній поверхні каналу відносно електродів діода. Найбільшу потужність коливань мають діоди, в яких вона розташована ближче до катода, а найвищі частоти коливань — з розташуванням АБГ ближче до анодного контакту.Ключові слова: міліметровий діапазон, активна бічна границя (АБГ), варізонний шар, ударна іонізація, склад сполуки, ефективність генерації, вихідна потужність, міждолинне перенесення електронівСтаття надійшла до редакції  03.08.2023Radio phys. radio astron. 2024, 29(4): 317-326БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК1. Shi L.-F., Zahid A., Ren A., Ali M.Z., Yue H., Imran M.A., Shi Y., Abbasi Q.H. The perspectives and trends of THz technology in material research for future communication — a comprehensive review. Phys. Scr. 2023. Vol. 98, Iss. 6. 065006. DOI: 10.1088/1402-4896/accd9d2. Song H.-J., Nagatsuma T. Handbook of Terahertz Technologies. Jenny Stanford Publishing. 2015. 612 p. DOI: 10.1201/b183813. Izumi R., Suzuki S., Asada M. 1.98 THz resonant-tunneling-diode oscillator with reduced conduction loss by thick antenna electrode. 2017 42nd Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). Cancun, Mexico, 27 Aug. — 1 Sept. 2017.IEEE, 2017. DOI: 10.1109/irmmw-thz.2017.80668774. Asada M., Suzuki S. Terahertz Emitter Using Resonant-Tunneling Diode and Applications. Sensors. 2021. Vol. 21, Iss. 4. 1384. DOI: 10.3390/s210413845. Norkus R., Paeebutas V., Stanionyte S., Biciuuas A., Urbanowicz A., Krotkus A. Terahertz pulse emission from GaInAsBi. 2019 44th Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). Paris, France, 1—6 Sept. 2019. IEEE, 2019. DOI: 10.1109/irmmw-thz.2019.88737046. Zhai D., Hérault E., Garet F., Coutaz J. Terahertz generation from ZnTe optically pumped above and below the bandgap. Opt. Express. 2021. Vol. 29, Iss. 11. 17491. DOI: 10.1364/OE.4212827. Dai Y., Lu Z., Ye Q., Dang J., Zhao S., Lei X., Yun J.-H., Zhao W., Liu C. Study of InxGa1−xN/GaN Homotype Heterojunction IMPATT Diodes. IEEE Trans. Electron Devices. 2021. Vol. 68, Iss. 11. P. 5469—5475. DOI: 10.1109/ted.2021.30751728. Íñiguez-de-la-Torre A., Íñiguez-de-la-Torre I., Mateos J., González T, Sangaré P., Faucher M., Grimbert B., Brandli V., Ducournau G., Gaquière C. Searching for THz Gunn oscillations in GaN planar nanodiodes. J. Appl. Phys. 2012. Vol. 111, Iss. 11. P. 113705.DOI: 10.1063/1.47243509. Khalid A., Dunn G.M., Macpherson R.F., Thoms S., Macintyre D., Li C., Steer M.J., Papageorgiou, V., Thayne I., Kuball M., Oxley, C.H., Bajo M.M., Stephen A., Glover J., Cumming D.R.S. Terahertz oscillations in an In 0.53Ga0.47As submicron planar Gunn diode. J. Appl. Phys. 2014. Vol. 115, Iss. 11. P. 114502. DOI: 10.1063/1.486870510. Storozhenko I., Sanin S. Advanced Micron Sized Gunn Diode Based on Graded-Gap GaPAs — GaInAs. J. Nano- Electron. Phys. 2022. Vol. 14, Iss. 1. 01027. DOI: 10.21272/jnep.14(1).0102711. Storozhenko I. Gunn Diodes Based on Graded-gap GaInPAs. J. Nano- Electron. Phys. 2020. Vol. 12, Iss. 1. 01015. DOI: 10.21272/jnep.12(1).0101512. Hong-Liang Z., Yang L.-A., Zou H., Ma X., Hao Y. Enhancement of Negative Differential Mobility Effect in Recessed Barrier Layer AlGaN/GaN HEMT for Terahertz Applications. IEEE Trans. Electron Devices. 2019. Vol. 66, Iss. 3. P. 1236—1242.13. Urteaga M., Pierson R., Rowell P., Jain V., Lobisser, E., Rodwell, M.J.W. 130nm InP DHBTs with ft > 0.52 THz and fmax > 1.1 THz. 2011 69th Annual Device Research Conf. (DRC). Santa Barbara, CA, USA, 20—22 June 2011. IEEE, 2011.14. Song L., Zhao M. The research of W-band high order frequency multiplier based on avalanche diode. Prog. Electromagn. Res. Lett. 2018. Vol. 72. P. 45—53. DOI: 10.2528/pierl1709210915. Lukin K. A., Cerdeira H. A., Maksymov P. P. Self-oscillations in reverse biased pn junction with current injection. Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 83, Iss. 22. P. 4643—4645. DOI: 10.1063/1.162793916. Stake J., Malko A., Bryllert T., Vukusic J. Status and Prospects of High-Power Heterostructure Barrier Varactor Frequency Multipliers. Proc. IEEE. 2017. Vol. 105, Iss. 6. P. 1008—1019. DOI: 10.1109/jproc.2016.264676117. Prykhodko K.H., Zozulia V.O., Botsula O.V. Graded band gap InGaAs diodes for terahertz applications. 2017 IEEE Int. Young Scientists’ Forum on Applied Physics and Engineering (YSF). Lviv, Ukraine, 17—20 Oct. 2017. IEEE, 2017.18. Prokhorov E.D., Botsula O.V. Negative differential conductivity of a tunnel side- boundary semiconductor diode. Telecommunications and Radio Engineering. 2011. Vol. 70, Iss. 9. P. 809—818. DOI: 10.1615/telecomradeng.v70.i9.5019. Botsula O.V., Prykhodko K.H., Zozulia V.O. Diodes with Lateral n+–n-Border. 2019 IEEE 2nd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), Lviv, Ukraine, 2—6 July 2019. IEEE, 2019. DOI: 10.1109/ukrcon.2019.887988420. Botsula O.V., Zozulia V.O. Energy and Frequency Properties of Planar n+–n–n+ Diodes with Active Side Boundary. J. Nano- Electron. Phys. 2021. Vol. 13, Iss. 6. 06028. DOI: 10.21272/jnep.13(6).0602821. Botsula O.V., Zozulia V.O. Generation of THz Oscillations by Diodes with Resonant Tunneling Boundaries. J. Nano- Electron. Phys. 2020. Vol. 12, Iss. 6. 06037. DOI: 10.21272/jnep.12(6).0603722. Jacoboni, C., Reggiani, L. The Monte Carlo method for the solution of charge transport in semiconductors with applications to covalent materials. Rev. Mod. Phys. 1983. Vol 55, Iss. 3. P. 645—705. DOI: 10.1103/revmodphys.55.64523. Brennan K.F., Mansour N.S. Monte Carlo calculation of electron impact ionization in bulk InAs and HgCdTe. J. Appl. Phys. 1991. Vol. 69, Iss. 11. P. 7844—7847. DOI: 10.1063/1.34751624. Joppich W., Mijalković S. Multigrid methods for process simulation. Vienna: Springer Vienna, 1993.25. Laux S.E. On particle-mesh coupling in Monte Carlo semiconductor device simulation. IEEE Trans. Comput. Aided Des. Integr. Circuits Syst. 1996. Vol. 15, Iss. 10. P.  1266—1277. DOI: 10.1109/43.54144626. Botsula O., Prykhodko K., Zozulia V. Impact ionization in graded gap transferred electron diode. 2021 IEEE 3rd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON). Lviv, Ukraine, 26—28 Aug. 2021. IEEE, 2021.27. Adachi S. GaAs, AlAs, and AlxGa1−xAs: Material parameters for use in research and device applications. J. Appl. Phys. 1985. Vol. 58, Iss. 3. P. R1—R29. DOI: 10.1063/1.33607028. Rolland P.A., Friscourt M.R., Salmer G., Constant E. Theoretical study of 100 GHz GaAs transferred-electron devices. J. Phys. Colloq. 1981. Vol. 42, Iss. C7. P. 171—176. DOI: 10.1051/jphyscol:1981719