Utility of a Reverse Double-drift Structure for Fabricating GaN IMPATT Diode Operating in the Terahertz Regime

Abstract

Корисність структури зі зворотною областю подвійного дрейфу (DDR) була вивчена для виготовлення IMPATT діода з нітриду галію (GaN), що працює на частоті 1,0 ТГц. Для перевірки можливостей структур з традиційною (нормальною) та зворотною DDR у терагерцовому діапазоні проведено моделювання статичних та великих сигналів. Виявлено, що функціонування GaN IMPATT діода можливе тільки у структурі зі зворотною DDR через більш низьке значення послідовного опору в порівнянні зі структурою з нормальною DDR. GaN IMPATT діод з нормальною DDR не може працювати у терагерцовому діапазоні. Однак раніше автори розрахували послідовний опір GaN IMPATT діода з традиційною DDR, призначеного для роботи на частоті 1,0 ТГц. Вони не враховували струм, що протікає, та опір розтіканню на омічних металевих контактах. Саме тому їх результати були помилковими. Отримані ними результати дозволяють зробити висновок, що GaN IMPATT діод з традиційною DDR у терагерцовому діапазоні може створювати достатній ефективний негативний опір, оскільки його послідовний опір залишається в діапазоні 1,5-2,0 Ом. У цій статті автори запропонували IMPATT структуру зі зворотною DDR виключно для матеріалу GaN і терагерцового діапазону частот. Використовуючи цю структуру зі зворотною DDR, p+-GaN ~ Ni/Au може отримати достатню площу контакту, так що опір анодного контакту буде мінімізовано. Розроблена авторами несинусоїдальна модель великого сигналу, що збуджується напругою, була використана для дослідження властивостей статичних (постійних) і великих сигналів структур з традиційною та зворотною DDR на частоті 1,0 ТГц. Це дослідження відкриває новий горизонт для вчених і дослідників у терагерцовому діапазоні.

Utility of the reverse double-drift region (DDR) structure has been studied for fabricating the gallium nitride impact avalanche transit time (IMPATT) diode operating at 1.0 terahertz (THz). Static and largesignal simulations have been carried out in order to verify the THz capabilities of conventional (normal) and reverse DDR structures. It is revealed that IMPATT operation is only possible in a reverse GaN DDR structure due to the lower value of series resistance of it as compared to the normal GaN DDR structure. Normal DDR GaN IMPATT cannot be operational at THz regime. Earlier, the authors had calculated the series resistance of conventional GaN DDR IMPATT diode designed to operate at 1.0 THz, however. They did not take into account the current crowing and spreading resistance at the ohmic metal contacts. That is why, the results were misleading. Those results lead to the conclusion that conventional THz GaN DDR IMPATT may produce sufficient effective negative resistance since the series resistance of it remains within the range of 1.5-2.0 Ω. In this paper, authors have proposed a reverse DDR IMPATT structure exclusively for GaN material and THz frequency bands. By using this reverse DDR structure, p+-GaN ~ Ni/Au contact can obtain a sufficient contact area, so that the anode-contact resistance can be minimized. A nonsinusoidal voltage-excited large-signal model developed by the authors has been used to study the static (DC) and large-signal properties of conventional and reverse DDR structures at 1.0 THz. The present study on the evaluation of THz source seems to open a new horizon for THz researchers and scientists.