InGaAs-based Graded Gap Active Elements with Static Cathode Domain for Terahertz Range

Abstract

Terahertz radiometric systems, two-dimensional visualization systems, terahertz tomography and spectroscopy, etc. need noise sources at frequencies above 100 GHz. Frequency capabilities of commonly used elements are limited. Diodes with a static cathode domain or DCSD are known to be noise sources in mentioned ranges as well. Due to low doping, DCSD can be considered as perspective active elements for an ultra-high frequency application. The paper describes InGaAs-based graded-gap active diode elements with a static cathode domain. They have structure of n+-n–-n-n+ types and length about 1 m, where n– is a low doping level region with 0.3-0.5 m thick. Diodes are considered to be active elements for both generating noise and electromagnetic current oscillations. The working principle of diodes is impact ionization in static domain of a strong electric field in cathode. The results of modeling by using the ensemble Monte Carlo method are presented. Possibility of noise generation in the range from 100 to 500 GHz is shown. Power spectral density of noise was determined in important specific areas of the electromagnetic spectrum which corresponds to atmospheric windows. The influence of doping levels and gallium fraction on GaInAs region of cathode contact is considered. Current oscillations generation in the range of 100-200 GHz is found. The estimations of generation efficiency are given. Maximum efficiency corresponds to a frequency of about 130 GHz and its value of 1-2 % is obtained. Frequency oscillation limit of the diode exceeds 180 GHz. Considered regime is similar to limit space charge accumulation mode.

Радіометричні системи терагерцового діапазону, двовимірні системи візуалізації, терагерцова томографія та спектроскопія тощо потребують джерел шуму на частотах вище 100 ГГц. Частотні можливості широко використовуваних елементів обмежені. Відомо, що діоди зі статичним катодним доменом (або DCSD) також є джерелами шуму в згаданих діапазонах. Через низький рівень легування, DCSD можна розглядати як перспективні активні елементи для застосування на ультрависоких частотах. У статті описані активні діодні елементи на основі InGaAs із змінною шириною забороненої зони зі статичним катодним доменом. Вони мають структуру n+-n–-n-n+ типів і довжину близько 1 мкм, де n – область низького рівня легування товщиною 0-0,5 мкм. Діоди вважаються активними елементами як для генерації шумів, так і для електромагнітних коливань струму. Принцип роботи діодів базується на ударній іонізації в статичному домені сильного електричного поля в катоді. Наведено результати моделювання методом ансамблю Монте-Карло. Показана можливість генерації шуму в діапазоні від 100 до 500 ГГц. Спектральна щільність потужності шуму визначена у важливих областях електромагнітного спектра, що відповідає атмосферним вікнам. Розглянуто вплив рівнів легування та фракції галію на область GaInAs катодного контакту. Знайдено генерацію коливань струму в діапазоні 100-200 ГГц. Наведено оцінки ефективності генерації. Максимальна ефективність відповідає частоті близько 130 ГГц і її значення становить 1-2 %. Межа коливань частоти діода перевищує 180 ГГц. Розглянутий режим подібний до режиму накопичення граничного просторового заряду.