Planar n+-n-n+ Diode with Active Side Boundary on InP Substrate

Abstract

Досліджено генерацію електромагнітних коливань в довгохвильовій частині терагерцового діапазону діодними структурами з активними бічними границями. Діоди являють собою планарні структури довжиною 1,28 мкм і шириною 0,32 мкм. Вони являють собою провідний канал, розміщений на напівізолюючій підкладці з InP, два контакти та активну бічну границю(АБГ) у вигляді області n-типу, розташовану між InP каналом і металевим електродом, який з’єднано з омічним контактом анода. Концентрація донорів в каналі 6∙1022 м – 3. Розглядаються дві різні AБГ, на основі InP та InGaAs. Проаналізовано ефективність генерації діодів. Моделювання проводилося з використанням багаточасткового методу Монте-Карло. Характеристики діодів порівнюється зі характеристиками звичайних InP діодів з такими ж параметрами. Показано, що ВАХ діодів не містить області з негативною диференціальною провідністю, проте мають місце високочастотні коливання струму. Режим роботи діодів близький до режиму із захопленим доменом. Визначено ефективність і частотні властивості діода. Діапазон частот діодів встановлено в діапазоні від 100 до 350 ГГц. Максимальна ефективність генерації діодів з AБГ на основі InP становить близько 2,5 % на частотах 160-180 ГГц. Показано існування ефекту підвищення граничної частоти у випадку використання AБГ в порівнянні зі звичайним діодом InP. Зокрема, використання АБГ на основі InP призводить до виникнення коливань струму в діапазоні від 300 до 350 ГГц у разі розташування АБГ біля анодного контакту. Проте цей ефект не спостерігається якщо застосовується AБГ на основі InGaAs. Зроблено припущення, що поліпшення частотних властивостей досягається за рахунок посилення енергетичної релаксації в АБГ.

We have studied generation of electromagnetic oscillations in the long-wavelength part of the terahertz range by diode structures with active side border. Diodes represent planar structures 1.28 µm long, 0.32 µm wide. They include a conductive channel placed on a semi-insulating InP substrate, two contacts, and an active side boundary (ASB) in the form of an n-type region located between the InP channel and the metal electrode connected to the ohmic contact of the anode. Donor concentration in a channel is 6·1022 m – 3. The article considers two different ASB on the bases of InP and InGaAs and analyses generation efficiency of diodes. We carried out a simulation by the Ensemble Monte Carlo technique. The characteristics of the diode are compared with the characteristics of common InP diodes with the same parameters. We found out that the I-V characteristic of diodes does not contain a region with negative differential conductivity. However, there are high frequency current oscillations. The operation regime is close to trapped domain mode. In the course of the research, we determined the efficiency and frequency properties of the diode. The frequency range of diodes is established to be in the range from 100 to 350 GHz. Maximum generation efficiency of diodes with InP-based ASB is about 2.5 % at a frequency of 160-180 GHz. The article highlights the effect of increase in cutoff frequency in the case of using ASB to compare with a common InP diode. In particular, using InP-based ASB, gives current oscillation in the range from 300 to 350 GHz when ASB position is near the anode contact. Nevertheless, this effect is absent if InGaAs-based ASB is applied. Thus, we assume that frequency properties can be improved due to enhanced energy relaxation in ASB.