Advanced Micron Sized Gunn Diode Based on Graded-Gap GaPAs – GaInAs

Abstract

В роботі вивчаються характеристики діодів Ганна на основі варізонного напівпровідника GaInPAs. Діоди Ганна – активні елементи для генерації електромагнітних хвиль міліметрового та субміліметрового діапазонів. Збільшення їх потужності та граничних частот генерації є актуальною задачею у забезпеченні активними джерелами апаратури субтерагерцового діапазону. Один із шляхів збільшення граничної частоти діодів Ганна – це застосування варізонних напівпровідників. На процеси, які відбуваються в діодах Ганна на основі варізонних напівпровідників, впливають залежності від координати великої кількості параметрів варізонного сплаву. Тому дуже важливим є оптимізація структури не тільки за рівнем легування, але й за зміною фракційних часток варізонного сплаву. В статті представлені результати моделювання роботи діодів Ганна з довжиною активної області 1 мкм на основі варізонного сплаву GaPAs – GaInAs при різній довжині варізонного шару, різних мольних частках In і P та різній густині електронів в активній області. В роботі отримані спектри потужності власних (при відсутності резонатора) коливань діодів Ганна, проведено аналіз фізичних процесів, знайдені оптимальні довжини шару варізонного напівпровідника та оптимальні мольні частки In і P для отримання найбільшої потужності та частоти коливань. Для діодів з електронною густиною в активній області 6 1016 см – 3 найбільшу потужність коливань має Ga0.67P0.33As – Ga0.5In0.5As при довжині шару варізонної сполуки рівній 0,2 мкм. Такий діод забезпечує ВЧпотужність 11,28 мВт на частоті 102,5 ГГц для основної гармоніки та 49 мкВт (307,5 ГГц) для третьої гармоніки. Результати дослідження розширюють знання про фізичні процеси переносу носіїв заряду в складних напівпровідникових структурах і можуть бути використані для технологічних розробок нових швидкодіючих приладів на основі напівпровідників А3В5.

The paper studies the characteristics of Gunn diodes based on graded-gap GaInPAs semiconductor. Gunn diodes are active elements for generating electromagnetic waves in the millimeter and submillimeter ranges. Nowadays, providing modern equipment with active sources of the subterahertz range is an urgent task. It can be implemented by increasing Gunn diodes power and cutoff frequencies of generation. One of the means to increase the cutoff frequency of Gunn diodes is the use of graded-gap semiconductors. The dependence on the coordinate of many parameters of a graded-gap semiconductor affects the processes that occur in the Gunn diode based on the graded-gap semiconductor. Therefore, it is very important to optimize the diode structure by both the doping level and varying the fraction parts of the graded-gap alloy. The paper presents the results of modeling the operation of Gunn diodes with an active zone length of 1 μm based on graded-gap GaPAs – GaInAs alloy at different lengths of the graded-gap layer, different fraction parts of In and P and different electron densities in the active zone. The power spectra of self-oscillations (in the absence of a resonator) of Gunn diodes are obtained, the analysis of physical processes is performed, the optimal lengths of the graded-gap semiconductor layer and optimal mole fractions of In and P are found to obtain the highest power and oscillation frequency. For diodes with an electron density in the active zone of 6×1016 cm – 3, Ga0.67P0.33As – Ga0.5In0.5As has the greatest oscillation power at the layer length of the graded-gap compound equal to 0.2 µm. This diode provides an RF power of 11.28 mW at 102.5 GHz for the fundamental harmonic and 49 µW (307.5 GHz) for the third harmonic.