Gunn Diodes Based on Graded-gap GaInPAs

Abstract

Проблема освоєння терагерцового діапазону за допомогою активних твердотільних приладів залишається актуальною. Для генерації міліметрових та субміліметрових електромагнітних хвиль використовують високошвидкісні транзистори, діоди Ганна, IMPATT діоди, резонансно-тунельні діоди та інші прилади. Однак на частотах понад 100-200 ГГц ці пристрої мають ряд фізичних проблем, які обмежують граничну частоту. В даний час варизонні напівпровідники привертають інтерес розробників як перспективний матеріал для таких пристроїв, у тому числі тих, що працюють на ефекті міждолинного переносу електронів. У даній роботі представлені результати числових експериментів по генерації автоколивань струму в діодах Ганна на основі варизонного напівпровідника GaInPAs із довжиною транзитної області 1,0 мкм та концентрацією іонізованих домішок в ній 9·1016 см– 3. Були досліджені GaPAs – GaAs, GaInP – GaAs, GaPAs – InP, GaInP – InP, GaPAs – Ga0.5In0.5As і GaInP – Ga0.5In0.5As діоди. Моделювання проведено за допомогою температурної моделі міждолинного переносу електронів у варизонних напівпровідниках. У таких діодах може бути реалізований доменний режим нестабільності струму і відбуватися незатухаючі коливання струму, на відміну від діодів Ганна на основі однорідних GaAs, InP і Ga0.5In0.5As, в яких незатухаючі коливання струму не відбуваються. В статті показано, що застосування варизонного GaInPA збільшує потужність коливань діодів Ганна у порівнянні з однорідними напівпровідниками GaAs, InP та Ga0.5In0.5As, а спектр автоколивань, що виникають в приладі, містять чітко розпізнану принаймні третю гармоніку в терагерцовому діапазоні. Максимальна потужність основного режиму складає 19,4 мВт на частоті 98 ГГц в Ga0.58In0.42P – Ga0.5In0.5As діоді. Вищі гармоніки, що присутні в спектрі коливань, мають потужність другої гармоніки – 1,0 мВт і третьої гармоніки – 0,2 мВт.

The problem of developing the terahertz range by active solid state devices remains relevant. High-speed transistors, Gunn diodes, IMPATT diodes, resonant-tunneling diodes and other devices are currently used to generate millimeter and sub-millimeter waves. However, at frequencies above 100-200 GHz, these devices have a number of physical problems that limit cut-off frequency. Nowadays, graded-gap semiconductors attract developers' interest as prospective materials for such devices, including those operating on the intervalley electron transfer effect. This paper presents the results of the numerical experiments on the current selfoscillation generation in the Gunn diodes based on graded-gap GaInPAs semiconductor alloy with the transit region length of 1.0 µm and concentration of ionized impurities therein of 9·1016 cm– 3. GaPAs – GaAs, GaInP – GaAs, GaPAs – InP, GaInP – InP, GaPAs – Ga0.5In0.5As and GaInP – Ga0.5In0.5As diodes have been studied. The numerical simulations have been carried out by means of the temperature model of intervalley transfer of electrons in the graded-gap semiconductors. In such diodes, the domain mode of current instability can be implemented and the continuous oscillations of the current occur, unlike homogeneous GaAs, InP, and Ga0.5In0.5As Gunn diodes, in which the continuous oscillations of the current don’t occur. The findings of the paper show that the graded-gap GaInPAs increase the oscillation power of the Gunn diodes in comparison with homogeneous GaAs, InP and Ga0.5In0.5As semiconductors, and self-oscillations contain clearly distinguishable at least third harmonic in the terahertz range. The maximum power of the fundamental mode is 19.4 mW at 98 GHz in Ga0.58In0.42P – Ga0.5In0.5As diode. Higher harmonics are present in the spectrum of oscillations with the power of the second harmonic of 1.0 mW and of the third harmonic of 0.2 mW.