InPAs- Based Diode as Active Element in Terahertz Range

Abstract

Проведено дослідження електромагнітних коливань у довгохвильовій частині терагерцового діапазону варізонними діодами на основі InPAs. Ці діоди містять InP катодний шар шар та варізонний шар InPAs з використанням InP0.2As0.8 на анодному контакті. Розглядалися діоди довжиною 500, 640 і 1280 нм. Концентрація донорів в активній області діода становить 1017 см – 3. Визначено характеристики діодів на постійному струмі та оцінено їх частотні властивості в режимі генерації коливань. Моделювання проводилося за допомогою багаточасткового методу Монте – Карло з урахуванням ударної іонізації. Характеристики діодів порівнювались з отриманими для діодів без урахування ударної іонізації. Показано, що ВАХ коротких варизонних діодів не містить області з негативною диференціальною провідністю. В умовах ударної іонізації ці діоди демонструють збільшення струму. Хоча ці діоди залишаються стабільними, у резонансних контурах вони демонструють нестійкості струму типу зарядженого шару та генерацію коливань. Дослідження показало, що максимальна ефективність генерації становить приблизно 10 %, спостерігається в діодах довжиною 1280 нм на частоті 100 ГГц. У більш коротких діодах ефективність знижується до 3,9 % і 2,0 % у діодах довжиною 640 і 500 нм відповідно. Гранична частота генерації була близько 400 ГГц в діодах довжиною 500 нм. Було виявлено, що ударна іонізація призводить до зниження ефективності без погіршення частотних властивостей діодів. І навпаки, у випадку діода 1280 нм вона покращує частотні властивості, дозволяючи застосування варізонних діодів з ударною іонізацією для отримання максимальних частот.

А study of electromagnetic oscillations in the longwave part of the terahertz range by graded-band diodes based on InPAs has been carried out. These diodes contain an InP cathode layer and an InPAs graded-band layer using InP0.2As0.8 on the anode contact. Diodes with a length of 500, 640 and 1280 nm were considered. A donor concentration in the active region of the diode is 1017 cm – 3. The direct current characteristics of diodes were determined and their frequency properties in the oscillation generation mode were evaluated. The simulation was carried out using the Ensemble Monte Carlo Technique with consideration of impact ionization. Characteristics of diodes were compared with those obtained for diodes without accounting for impact ionization. It was shown that the I-V characteristic of short graded-band diodes does not contain areas with negative differential conductivity. Under the condition of impact ionization, these diodes exhibit an increase in current. While these diodes remain stable, they demonstrate charged layer current instabilities and oscillation generation in resonant circuits. The study revealed that the maximum generation efficiency is approximately 10 %, observed in diodes with a length of 1280 nm at a frequency of 100 GHz. In shorter diodes, the efficiency decreases to 3.9 % and 2.0 % in diodes with lengths of 640 and 500 nm, respectively. The cut-off frequency of generation was around 400 GHz in diodes with a length of 500 nm. Impact ionization was found to lead to a decrease in efficiency without compromising the frequency properties of diodes. Conversely, in the case of a 1280 nm diode, it improved frequency properties, supporting the application of graded diodes with impact ionization for achieving maximal frequencies.