Physical modelling of the quantum well asymmetric spacer tunnel layer diodes for high frequency applications

• Autorzy: Hussein Shamil H. , Mohammed Khalid K.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.05.26

Warianty tytułu

PL

Fizyczne modelowanie diod z asymetryczną warstwą tunelu dystansowego studni kwantowej dp zastosowań o wysokiej częstotliwości

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A complete description of physical models of the novel Quantum Well Asymmetric Spacer Tunnel Layer Diodes (QW-ASPATs) is simulated and compared to the standard GaAs/AlAs and InGaAs/AlAs ASPAT diodes in this work. The design and analysis of the both standard and new QW-ASPAT diodes have been investigated using numerical modeling in SILVACO ATLAS software. The impact of different structures design on crucial parameters, the junction resistance (Rj), curvature coefficient (Kv), junction capacitance (Cj), and series resistance (Rs) at zero bias detection were evaluated using a created SILVACO model. The effects of changing the AlAs barrier and quantum well layer thicknesses were carefully studied. The mesa size area of the ASPAT devices was taken into consideration and its effects to the DC and RF characteristics at zero bias voltage supply. The introduction of the well layer for the InxGa1-xAs structure to the barrier layer, allowed an increase in the (Kv) while maintaining a low of the (Rj). So, the QW-ASPAT devices were proposed and compared with the standard ASPAT diodes. It was found that the extracted (Kv) is increased from 13V-1 to 32.5V-1 for GaAs structure and from 12.6V-1 to 33V-1 for In0.53Ga0.47As ASPAT at zero bias. Also, the cut off frequencies of a mesa size 4×4 μm2 QW-ASPATs is reported about 143GHz and 303GHz for both proposed QW-ASPAT structures respectively. This work is presented to assist researchers working on ASPAT devices, including helpful predictions for optimum design parameters in order to maximize the performance of microwave devices used in the implantable medical applications.

PL

W niniejszej pracy przeprowadzono symulację pełnego opisu modeli fizycznych nowatorskich diod kwantowo-dołkowoasymetrycznych z przekładką tunelową (QW-ASPAT) i porównano je z konwencjonalnymi diodami GaAs/AlAs i InGaAs/AlAs ASPAT. W niniejszej pracy zbadano konstrukcję i analizę diod ASPAT wykorzystaniem modelowania numerycznego w programie SILVACO ATLAS. Za pomocą stworzonego modelu SILVACO oceniono wpływ różnych projektów konstrukcji na cztery kluczowe parametry: rezystancję złącza (Rj), współczynnik krzywizny (Kv), pojemność złącza (Cj) i rezystancję szeregową (Rs) przy detekcji zerowej polaryzacji. Skutki zmiany bariery AlAs i grubości warstw studni kwantowej zostały dokładnie zbadane. Uwzględniono wielkość obszaru mesy urządzeń ASPAT i jej wpływ na charakterystyki DC i RF przy zerowym napięciu zasilania. Wprowadzenie warstwy zagłębienia dla struktury InGaAs do warstwy barierowej umożliwiło wzrost Kv przy jednoczesnym utrzymaniu niskiego (Rj). Zaproponowano więc urządzenia QW-ASPAT i porównano je ze standardowymi diodami ASPAT. Stwierdzono, że wyekstrahowany (Kv) wzrasta z 13V-1 do 32,5V-1 dla struktury GaAs oraz z 12,6V-1 do 33V-1 dla In0,53Ga0,47As ASPAT przy zerowej polaryzacji. Również częstotliwości odcięcia QW-ASPAT o rozmiarze mesy 4x4 μm2 są zgłaszane odpowiednio na około 143GHz 303GHz dla obu struktur. Niniejsza praca ma pomóc naukowcom pracującym nad urządzeniami ASPAT, w tym pomocne prognozy dotyczące optymalnych parametrów projektowych w celu maksymalizacji wydajności urządzeń mikrofalowych stosowanych w implantowanych zastosowaniach medycznych.

Słowa kluczowe

EN

quantum tunnelling; ASPAT didoe; Silvaco Atlas; high frequency detector

PL

tunelowanie kwantowe; dioda ASPAT; atlas SILVACO; detektor wysokiej częstotliwości

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 5
• Strony: 145--148
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Hussein Shamil H.

• University of Mosul, College of Engineering, Mosul, Iraq

• https://orcid.org/000-0003-1562-5372%3B

autor

Mohammed Khalid K.

• University of Mosul, College of Engineering, Mosul, Iraq

Bibliografia

• [1] N. Oshima, K. Hashimoto, S. Suzuki, and M. Asada, “Wireless data transmission of 34 Gbit/s at a 500-GHz range using resonant-tunnelling-diode terahertz oscillator,” Electronics letters, vol. 52, no. 22, pp. 1897–1898, 2016.
• [2] M. Missous, M. J. Kelly, and J. Sexton, “Extremely uniform tunnel barriers for low-cost device manufacture,” IEEE Electron Device Letters, vol. 36, no. 6, pp. 543–545, 2015.
• [3] A. Salhi, J. Sexton, S. Muttlak, O. Abdulwahid, A. Hadfield, and M. Missous, “InGaAs/AlAs/GaAs metamorphic asymmetric spacer layer tunnel (mASPAT) diodes for microwaves and millimeter-waves detection,” Journal of Applied Physics, vol. 127, no. 19, p. 194505, 2020.
• [4] N. Tuomisto, A. Zugarramurdi, and M. J. Puska, “Modeling ofelectron tunneling through a tilted potential barrier,” Journal of Applied Physics, vol. 121, no. 13, p. 134304, 2017.
• [5] M. Akura, G. Dunn, and M. Missous, “A hybrid planar-doped potential-well barrier diode for detector applications,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 64, no. 10, pp. 4031–4035, 2017.
• [6] M. R. Abdullah, Y. Wang, J. Sexton, M. Missous, and M. Kelly, “GaAs/AlAs tunnelling structure: Temperature dependence of ASPAT detectors,” 2015, pp. 1–4.
• [7] Y. Wang, M. R. R. Abdullah, J. Sexton, and M. Missous, “Temperature dependence characteristics of In0. 53Ga0. 47As/AlAs asymmetric spacer-layer tunnel (ASPAT) diode detectors,” 2015, pp. 1–4.
• [8] A. Hadfield, A. Salhi, J. Sexton, and M. Missous, “Experimentally Validated Physical Modelling of Asymmetric Spacer Layer Tunnel Diodes for THz Applications,” 2019, pp. 1–3.
• [9] R. T. Syme, M. J. Kelly, M. Robinson, R. Smith, and I. Dale, “Novel GaAs/AlAs tunnel structures as microwave detectors,” 1992, vol. 1675, pp. 46–56.
• [10] K. Z. Ariffin et al., “Asymmetric spacer layer tunnel diode (ASPAT), quantum structure design linked to current-voltage characteristics: A physical simulation study,” 2017, pp. 1–4.
• [11] A. J. Hadfield, “Heterostructure Tunnel Diodes for Terahertz and mm-Wave applications,” 2021.
• [12] A. S. Hajo, O. Yilmazoglu, F. Küppers, and T. Kusserow, “Integration and characterisation of Schottky diodes with a preamplifier for THz applications,” 2020, pp. 1–2.
• [13] J. Karlovský, “The curvature coefficient of germanium tunnel and backward diodes,” solid-state Electronics, vol. 10, no. 11, pp. 1109–1111, 1967.
• [14] O. Abdulwahid, S. G. Muttlak, J. Sexton, M. Missous, and M. Kelly, “24ghz zero-bias asymmetrical spacer layer tunnel diode detectors,” 2019, pp. 1–3.
• [15] A. Hadfield, A. Salhi, J. Sexton, and M. Missous, “Novel barrier-well heterostructure diodes for microwave and mmwave applications,” Solid-State Electronics, vol. 178, p. 107963, 2021.
• [16] A. Salhi, A. Hadfield, S. Muttlak, J. Sexton, M. Kelly, and M. Missous, “Design and analysis of GaAs/AlAs asymmetric spacer layer tunnel diodes for high-frequency detection,” Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, vol. 130, p. 114723, 2021.
• [17] S. H. Hussein and K. K. Mohammed, “A miniaturized advanced rectenna integrated circuit for implantable applications,” AEU-International Journal of Electronics and Communications, p. 154544, 2023.