KR101670963B1 - 테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 테라헤르츠 발진기는, 절연층 상의 기판층이 식각되어 형성되는 캐소드, 애노드, 콜렉터, 발진회로 및 출력부를 구비한다.

Description

테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법{Terahertz radiation source and method of fabricating the same}
본 개시는 테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 기판상에서 구현되는 테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
테라헤르츠 대역은 분자광학, 생물물리학, 의학, 분광학, 영상 및 보안 응용 면에서 매우 중요하다. 기존의 마이크로파 대역과 광학 주파수 사이에 놓여 있는 테라헤르츠(1012 Hz) 대역은 그 중요성에도 불구하고 현재까지 개발되어 있는 발진기나 증폭기가 거의 없는 형편이다. 여러 가지 물리적, 공학적 한계로 개발이 미미하다가 최근에 와서 여러 가지 신개념과 미세가공 기술의 발달로 테라헤르츠파 발진기의 개발이 한창 진행되고 있다. 이러한 테라헤르츠파 발진기를 제작하는 여러 가지 시도 중에는 기존의 마이크로파 대역의 여러 발진기들의 주파수를 높이려는 노력을 포함하여, 반도체 레이저나 펨토초 레이저 같은 광학 장치를 이용하여 작동주파수를 테라헤르츠 대역으로 낮추려는 여러 가지 접근 방법이 시도되고 있다. 최근에는 미세가공기술을 이용하여 테라헤르츠 전자기파를 발생시키는 테라헤르츠파 발진기를 만들고자 하는 시도들이 이루어지고 있다.
하나의 칩상에 일체형으로 구현되는 테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법을 제시하고자 한다.
본 발명의 한 측면에 따르는 테라헤르츠 발진기는,
절연층; 및
절연층 상의 기판층이 소정 패턴으로 식각되어 마련되는 것으로, 전자빔을 방출하는 캐소드, 캐소드에서 방출된 전자빔을 집속시키는 애노드, 캐소드와 마주보게 배치되어 애노드에서 집속된 전자빔을 회수하는 콜렉터, 애노드와 콜렉터 사이에 배치되어 경유하는 전자빔의 에너지를 전자기파의 에너지로 전환시키는 발진회로, 및 발진회로와 연결되어 전자기파의 에너지를 외부로 방출시키는 출력부를 포함하는 발진소자부;를 포함한다.
캐소드의 전자빔 방출면은 전자빔 방출 방향에 대해 오목하게 형성된 기판층의 수직한 면일 수 있다.
캐소드는 전계방출형, 열전자 방출형, 또는 광 여기형의 전자빔 방출원 중 어느 하나일 수 있다.
발진회로는 기판층이 식각되어 형성된 복수의 돌출부가 2차원으로 배열된 광결정 구조를 가질 수 있다.
출력부는 발진회로가 마련된 영역 중 애노드에 인접한 곳에 기판이 관통되어 형성된 슬롯을 포함할 수 있다. 이 경우, 애노드와 출력부 사이에 위치한 발진회로의 돌출부들과 출력부와 콜렉터 사이에 위치한 발진회로의 돌출부들은, 배열 및 형상 중 적어도 어느 하나가 서로 다를 수 있다.
발진회로의 돌출부들은 기판층의 상부에서 보았을 때, 적어도 2회 이상 굽어져 이루어진 접혀진 도파로를 형성하도록 배열되며, 출력부는 접혀진 도파 구조의 일 끝단이 외부로 오픈되어 형성될 수 있다.
발진회로는 전자빔이 지나는 경로를 복수회 가로지르도록 기판층 상에 적어도 2회 이상 굽어진 긴 홈으로 식각되어 형성된 접혀진 도파관 공진 구조를 가지며, 출력부는 홈의 일 끝단이 외부로 오픈되어 형성될 수 있다.
발진회로는 기판층이 식각되어 형성되며 전자빔이 지나는 경로를 사이에 두고 양측에 배열되는 복수의 공동부와, 복수의 공동부들을 결합시키는 결합부를 포함하는 결합공동형 공진 구조를 가지며, 출력부는 복수의 공동부 중 일 끝단이 외부로 오픈되어 형성될 수 있다.
발진회로는 테라헤르츠 전자기파가 발진되도록 하는 광결정 구조, 나노공진 구조, 결합공동형 공진 구조, 접혀진 도파관 구조, 나선 발진 구조, 그루브 구조, 진행파 구조, 표면 플라즈몬 여기 구조 및 메타물질 구조를 포함하는 그룹에서 적어도 어느 하나의 구조로 형성될 수 있다.
발진회로를 덮는 덮개를 더 포함할 수 있다.
덮개는 발진회로에 대칭구조로 형성된 제2 발진회로를 가질 수 있다.
캐소드, 애노드, 콜렉터 및 발진회로를 덮는 덮개를 더 포함할 수 있다.
테라헤르츠 발진기와 대칭되는 구조를 갖는 덮개를 더 포함하는 테라헤르츠 발진기.
캐소드, 애노드, 콜렉터 및 발진회로 중 적어도 어느 하나는 식각된 기판층 상에 도포된 금속막을 포함할 수 있다.
절연층 및 기판층은 실리콘 온 인슐레이터 기판일 수 있다.
본 발명의 한 측면에 따르는 테라헤르츠 발진기의 제조방법은,
절연층 상에 마련된 기판층을 포함하는 기판을 마련하는 단계;
기판층을 캐소드 영역, 애노드 영역, 발진회로 영역 및 콜렉터 영역으로 구분하여 식각하는 단계;
기판층의 상면에서 캐소드 영역 및 애노드 영역을 포함하는 영역을 금속막으로 도포하는 단계;
기판층 중 캐소드 영역, 애노드 영역, 발진회로 영역 및 콜렉터 영역을 제외한 나머지 영역은 절연층이 노출되도록 식각하는 단계; 및
기판층의 캐소드 영역에 전자빔 방출원을 마련하는 단계;를 포함한다.
기판층의 캐소드 영역의 전자빔 방출면은 절연층에 수직하며 전자빔 방출 방향에 대해 오목한 면으로 형성될 수 있다.
발진회로 영역은 테라헤르츠 전자기파가 발진되도록 하는 광결정 구조, 나노공진 구조, 결합공동형 공진 구조, 접혀진 도파관 구조, 나선 발진 구조, 그루브 구조, 진행파 구조, 표면 플라즈몬 여기 구조 및 메타물질 구조를 포함하는 그룹에서 적어도 어느 하나의 구조의 패턴으로 식각하여 형성할 수 있다.
기판은 실리콘 온 인슐레이터 기판일 수 있다.
개시된 테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법은, 캐소드, 애노드, 발진회로 및 콜렉터를 한꺼번에 하나의 기판 상에 일체형 온칩 구조로 구현함으로써, 종래에 제시된 미세제조기술 등에서 요구되었던 복잡한 기계적/자기적 정렬(alignment)을 단순화시킬 수 있다. 또한, 개시된 테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법은,전자기파의 주파수가 높아짐에 따라 더욱 정교할 것이 요구되는 리소그래피(lithography) 공정 및 정렬을 가능하게 한다. 나아가, 개시된 테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법은, 기판의 식각이나 금속막의 형성과 같은 비교적 단순한 공정을 통해서 이루어질 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 테라헤르츠 발진기의 I-I선을 따라 본 측단면도이다.
도 3는 도 1에 도시된 테라헤르츠 발진기의 전자빔 방출면의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 테라헤르츠 발진기의 변형예의 개략적인 측단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 개략적인 상면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 개략적인 상면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 개략적인 상면도이다.
도 8a 내지 도 8g는 일 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 제조방법을 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
10, 30, 40, 50...테라헤르츠 발진기 11... 기판
12, 32, 42, 52...기판층 13, 33, 43, 53...절연층
14...지지층 15, 35, 45, 55...캐소드
16, 36, 46, 56...애노드 17, 37, 47, 57...발진회로
18, 38, 48, 58...콜렉터 19, 39, 49, 59...출력부
20...덮개 B...전자빔
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 개략적인 사시도이며, 도 2는 도 1의 테라헤르츠 발진기의 I-I선을 따라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 테라헤르츠 발진기(10)는 기판(11)의 일부가 식각되어 형성되는 일체형 온칩(on-chip) 구조의 발진소자부를 포함한다. 발진소자부는 캐소드(cathode)(15), 애노드(gate)(16), 발진회로(17), 콜렉터(collector)(18) 및 출력부(19)를 포함한다.
기판(11)은 절연층(13)과 절연층(13) 상에 마련된 기판층(12)을 포함한다. 절연층(13)은 별도의 지지층(14)에 의해 지지될 수도 있다. 이러한 기판(11)의 일례로 실리콘 온 인슐레이터(Silicon on Insulator; SOI) 기판이 있다. 기판층(12)을 식각함으로써, 캐소드(15), 애노드(16), 발진회로(17) 및 콜렉터(18)와 같은 발진소자부가 일체형(monolithic)으로 형성된다. 캐소드(15), 애노드(16), 발진회로(17) 및 콜렉터(18)는 절연층(13) 상에 서로 분리되어 마련됨으로써, 캐소드(15), 애노드(16), 발진회로(17) 및 콜렉터(18)는 전기적으로 절연된다.
캐소드(15)는 기판층(12)의 캐소드 영역(125)의 수직면(125a)에 마련된 전자빔 방출면(151)을 포함하는 전극이다. 전자빔 방출면(151)은 전자빔(B)이 방출되는 면이다. 이러한 캐소드(15)에는 미도시된 배선회로에 의해 (-) 전압이 인가되어 전자빔(B)을 방출한다. 도 2에 도시된 캐소드(15)는 탄소나노튜브를 전자빔 방출원으로 하는 경우를 예로 들어 도시한다. 그밖에도, 캐소드(15)로 열전자 방출형이나 또는 광 여기형과 같은 공지의 전자빔 방출원이 채용될 수 있다.
전자빔 방출면(151)은 기판(11)에 수직한 면으로, 전자빔 방출 방향에 대하여 오목한 면일 수 있다. 이러한 전자빔 방출면(151)은 도 3에 도시된다. 도 3을 참조하면, 전자빔 방출면(151)은 xy 평면(즉, 기판(11)의 면)에 대해 수직하게 마련되며, xy 평면에 수직한 축(z)을 중심으로 휘어진 2차원의 곡면일 수 있다. 전자빔 방출면(151)에서 방출된 전자빔(B)은 x 방향으로 진행하면서 집속된다. 전자빔 방출면(151)의 곡률에 따라 전자빔(B)의 집속 정도가 달라질 수 있다. 이와 같이 전자빔 방출면(151)이 곡면으로 형성됨에 따라 애노드(도 1의 16)에 도달하는 전자빔(B)은 시트 빔(sheet beam)의 형태가 될 수 있으며, 애노드(16)에 의한 전자빔(B)의 집속이 좀더 용이해진다. 나아가, 본 실시예의 테라헤르츠 발진기(10)는 기판(11)의 상부쪽으로 오픈된 구조이기 때문에 전자빔(B)의 단면 형상이 상하로 제한되지 않고 좌우로만 제한되며, 따라서 전자빔(B)이 상하로 크기가 제한되는 전자빔 터널을 갖는 통상의 테라헤르츠 발진기에서 높은 주파수를 구현하고자 할 때 발생하는 최소 전자빔 면적 조건에 대한 구속에서 자유롭다.
전자빔 방출면(151)은 상기와 같은 곡면에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전자빔 방출면(151)은 기판(11)에 수직하면서 전자빔 방출 방향에 대하여 오목한 다각면일 수도 있을 것이다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 애노드(16)는 캐소드(15)의 전자빔 방출면(151)에 인접하게 배치되어 캐소드(15)에서 방출되는 전자빔(B)을 제어하는 전극이다. 애노드(16)는 기판층(12)이 식각되어 형성된 애노드 영역(126)에 금속막(161)이 도포되어 형성될 수 있다. 이러한 애노드(16)는 전자빔 방출면(151)에서 방출된 전자빔(B)이 전위차에 의해 집속되도록 전기장 분포를 형성할 수 있는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시되듯이, 애노드(16)는 전자빔(B)의 통로 양측에 배치된 전극 형태가 될 수 있으며, 나아가 캐소드(15)에 인접한 부분의 전자빔(B) 통로는 넓게, 발진회로(17)에 인접한 부분의 전자빔(B) 통로는 좁게 형성할 수 있다. 이와 같은 애노드(16)의 구조는 전자빔(B)을 좀 더 용이하게 집속시킬 수 있게 한다. 애노드(16)는 미도시된 배선회로에 의해 (+) 전압으로 인가되거나 접지될 수 있다.
발진회로(17)는 애노드(16)를 경유한 전자빔(B)의 진행경로상에 배치되며, 경유하는 전자빔(B)에 의해 전자기파가 발진되는 구조물로서, 2차원 배열로 배열된 다수의 돌출부(pintle)(17a, 17b)로 이루어진 광결정 구조를 갖는다. 전자빔(B)은 돌출부(17a, 17b)들을 지나가면서 돌출부(17a, 17b)들의 주기적인 광결정 구조에 의해 그 에너지를 전자기파에 잃고 그 전자기파가 외부로 나오면서, 테라헤르츠의 전자기파가 발진된다. 이때 발진되는 전자기파의 파장은 전자빔(B)의 속도나 발진회로(17)의 광결정 구조, 즉 돌출부(17a, 17b)들의 주기, 형상 및 크기 등에 의해 결정된다. 돌출부(17a)의 크기가 나노 사이즈, 예를 들어 수십 nm의 사이즈를 갖는 경우 나노 공진 구조로 이해될 수 있다.
도 2는 돌출부(17a, 17b)들이 2차원 배열로 패터닝된 기판층(12)의 발진회로 영역(127)에 금속막(171)이 도포되어 형성된 경우를 도시하고 있다. 이러한 발진회로(17)는 미도시된 배선회로에 의해 접지되거나, 애노드(16)와 공통 전원(미도시)으로 연결될 수 있다. 경우에 따라서는, 돌출부(17a, 17b)들은 금속막(171) 없이 기판층(12) 자체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 실리콘(Si)과 같은 물질로 형성될 수 있다. 나아가, 도 1은 돌출부(17a, 17b)이 사각 기둥의 형상으로 형성된 경우를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 돌출부(17a, 17b)들은 원 기둥이나 그밖의 다양한 형상의 기둥으로 형성될 수 있을 것이다.
콜렉터(18)는 발진회로(17)를 사이에 두고 캐소드(15)에 대향되게 배치되며, 발진회로(17)를 경유하면서 에너지를 잃은 전자빔(B)을 수집한다. 콜렉터(B)는 전자빔(B)이 전자기파와 상호작용 후에 남은 전자빔(B)의 에너지를 회수하거나, 전자빔(B)이 다른 구성요소에 영향을 미치지 못하도록 차단할 수 있다. 이러한 콜렉터(18)는 소정 패턴으로 식각된 기판층(12)의 콜렉터 영역(128)에 금속막(181)이 도포되어 형성되는 전극일 수 있다. 이러한 콜렉터(18)는 미도시된 배선회로에 의해 (+) 전압으로 인가되거나 접지될 수 있다.
출력부(19)는 발진회로(17)에서 발진되는 전자기파를 결합시켜 외부로 방출시키는 것으로, 발진회로(17)의 애노드(16)에 인접한 위치에 기판(11)을 관통하여 형성된 슬롯(slot)으로 형성된다. 이러한 출력부(19)는 전자빔(B)의 진행 방향에 수직한 방향으로 긴 직사각형 형상으로 관통되어 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 출력부(19)는 복수개의 슬롯으로 형성될 수도 있다. 출력부(19)는 발진회로(17)에서 발진되어 콜렉터(18) 쪽에서 캐소드(15) 쪽으로 역(backward) 진행하는 전자기파를 더 이상 캐소드(15) 쪽으로 진행하지 못하도록 차단하고 기판(11) 하부로 출력시키게 한다. 한편, 출력부(19)와 애노드(16) 사이에 위치한 돌출부(17b)의 배열(예를 들어, 배열 주기, 배열 패턴, 등)이나 형상(예를 들어, 종횡비, 크기, 단면 형상 등)은 출력부(19)와 콜렉터(18) 사이에 위치한 돌출부(17a)의 배열이나 형상과 다르게 형성하여, 좀 더 효과적으로 역진행하는 전자기파를 차단하여 전자기파의 추출효율을 향상시킬 수 있다. 출력부(19)가 위치한 곳의 기판(11) 하부에는 도파관이 마련되어 출력부(19)를 통과한 전자기파를 결합시켜 외부로 유도할 수도 있다.
본 실시예의 테라헤르츠 발진기(10)는 캐소드(15), 애노드(16), 발진회로(17) 및 콜렉터(18)를 포함하는 발진소자부가 마련된 상부가 오픈된 형태를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 4는 상술한 실시예의 테라헤르츠 발진기(10)의 일 변형예를 도시한다. 도 4를 참조하면, 본 변형예의 테라헤르츠 발진기는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 테라헤르츠 발진기(10)의 상부에 덮개(cover)(20)가 부착된다. 이러한 덮개(20)는 도면에 도시되듯이, 슬롯이 별도로 마련되지 않았다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 테라헤르츠 발진기(10)와 실질적으로 동일하게 한 대칭구조를 가질 수 있다. 즉, 덮개(20) 쪽에 마련된 제2 캐소드(25), 제2 애노드(26), 제2 발진회로(27) 및 제2 콜렉터(28)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 테라헤르츠 발진기(10)의 대응되는 구성요소들과 실질적으로 동일할 수 있다.
덮개(20)는 도 4에 도시된 구조에 한정되는 것은 아니다. 가령, 덮개(20)는 단순히 테라헤르츠 발진기(10)의 상부를 덮는 평평한 기판일 수도 있다. 나아가, 덮개(20)는 테라헤르츠 발진기(10)의 발진회로(17)만을 덮는 구조일 수 있으며, 이때 덮개(20)는 테라헤르츠 발진기(10)의 발진회로(17)의 대칭구조의 제2 발진회로(27)만을 구비한 구조이거나 발지회로(17)만을 덮는 평평한 기판일 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 개략적인 상면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 테라헤르츠 발진기(30)는 절연층(33)상에 마련되는 발진소자부를 포함한다. 발진소자부는 캐소드(35), 애노드(36), 발진회로(37), 콜렉터(38) 및 출력부(39)를 포함한다. 절연층(33)은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 실시예에서의 경우와 동일하게 기판의 중간층으로 이해될 수 있으며, 캐소드(35), 애노드(36), 발진회로(37), 콜렉터(38) 및 출력부(39)와 같은 발진소자부는 절연층(33)의 상부쪽 기판층(32)이 식각되어 형성될 수 있다.
본 실시예의 발진회로(37)는 돌출부(37a)들에 의해 형성된 접혀진 도파로(folded-waveguide)(37b)의 광결정 구조를 갖는다. 돌출부(37a)들은 기판층(37)이 소정 깊이로 식각되어 형성될 수 있으며, 나아가 식각된 기판층(32)에 금속막(371)이 도포될 수도 있다. 접혀진 도파로(37b)는 기판층(37)의 상부에서 보았을 때, 적어도 2회 이상 굽어진다. 이러한 접혀진 도파로(37b)는, 접혀진 도파로(37b)를 이루는 영역을 제외한 나머지 영역의 발진회로(37) 상에 돌출부(37a)들이 배열됨으로써 형성된다. 이러한 접혀진 도파로(37b)의 끝단은 외부로 오픈되어 출력부(39)를 이룬다. 접혀진 도파로(37b)는 돌출부(37a)들에서 발생된 전자기파를 가이드하여 출력부(39)로 방출되게 한다. 본 실시예의 테라헤르츠 발진기(30)는, 발진회로(37)의 접혀진 도파로(37b)에 의해 출력부(39)가 마련됨으로써 별도의 슬롯(도 1의 19 참조)이 마련되지 않는다는 점을 제외하고는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예의 테라헤르츠 발진기의 대응되는 구성요소들과 실질적으로 동일하다.
본 실시예의 테라헤르츠 발진기(30)는 발진소자부가 마련된 상부측이 오픈되어 있으나, 도 4를 참조한 실시예처럼 상부측이 덮개로 덥힐 수 있다. 이러한 덮개는 상술한 테라헤르츠 발진기(30)의 대칭구조로 형성되거나 평평한 기판일 수 있다. 나아가 덮개는 발진회로(37)만을 덮는 것으로 발진회로(37)의 대칭구조로 형성된 제2 발진회로를 갖거나 평평한 기판일 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 개략적인 상면도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 테라헤르츠 발진기(40)는 절연층(43)상에 마련되는 발진소자부를 포함한다. 발진소자부는 캐소드(45), 애노드(46), 발진회로(47), 콜렉터(48) 및 출력부(49)를 포함한다. 캐소드(45), 애노드(46) 및 콜렉터(48)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예의 대응되는 구성요소들과 실질적으로 동일할 수 있다. 절연층(43)은 전술한 실시예에서의 경우와 동일하게 기판의 중간층으로 이해될 수 있으며, 캐소드(45), 애노드(46), 발진회로(47), 콜렉터(48) 및 출력부(49)와 같은 발진소자부는 절연층(43)의 상부쪽 기판층(42)이 식각되어 형성될 수 있다.
본 실시예의 발진회로(47)는 전자빔(B)이 지나는 통로(47b)를 복수회 가로지르는 접혀진 도파관(47a)으로 이루어진 접혀진 도파관 발진 구조를 갖는다. 이러한 접혀진 도파관 발진 구조는, 굽어진 긴 홈(47a) 및 전자빔(B)의 통로(47b)의 형상으로 기판층(42)이 식각되어 형성될 수 있다. 나아가 접혀진 도파관 발진 구조는 식각된 기판층(42)에 도포된 금속막(471)을 더 포함할 수 있다. 발진회로(47)의 끝단은 외부로 오픈되어 출력부(49)를 이룬다. 이러한 접혀진 도파관 공진 구조의 발진회로(47)는 진행파(traveling wave) 방식의 전자기파 발진 구조로 이해될 수 있다. 발진회로(47)의 접혀진 도파관 공진 구조는 발진회로(47)에서 발생된 전자기파를 가이드하여 출력부(49)로 방출되게 한다.
본 실시예의 테라헤르츠 발진기(40)는 상부측이 오픈되어 있으나, 도 4를 참조한 실시예처럼 상부측이 덮개로 덥힐 수 있으며, 이러한 덮개는 테라헤르츠 발진기(40)의 대칭구조를 갖거나, 발진회로(47)의 대칭구조로 형성된 제2 발진회로만을 갖거나 평평한 기판일 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 개략적인 상면도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 테라헤르츠 발진기(50)는 절연층(53)상에 마련되는 발진소자부를 포함한다. 발진소자부는 캐소드(55), 애노드(56), 발진회로(57), 콜렉터(58) 및 출력부(59)를 포함한다. 캐소드(55), 애노드(56) 및 콜렉터(58)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예의 대응되는 구성요소들과 실질적으로 동일할 수 있다. 절연층(53)은 전술한 실시예에서의 경우와 동일하게 기판의 중간층으로 이해될 수 있으며, 캐소드(55), 애노드(56), 발진회로(57), 콜렉터(58) 및 출력부(59)와 같은 발진소자부는 절연층(53)의 상부쪽 기판층(52)이 식각되어 형성될 수 있다.
본 실시예의 발진회로(57)는 전자빔(B)의 통로(57c)를 사이에 두고 양측에 배열되는 복수의 공동부(cavity)(57a)와 이들 공동부(57a)를 결합시키는 결합부(57b)를 포함하는 결합공동형(coupled-cavity) 공진 구조를 가진다. 발진회로(57)의 결합공동형 공진 구조는, 기판의 기판층(52)에 결합공동형의 패턴으로 식각되고, 시각된 기판층(52)에는 금속막(571)이 도포되어 형성될 수 있다. 공동부(57a), 결합부(57b) 및 전자빔(B)의 통로(57c)는 깊이가 다르게 형성될 수 있다. 발진회로(57)의 끝단은 외부로 오픈되어 출력부(59)를 이룬다. 공동부(57a) 및 결합부(57b)에서 공진되는 전자기파는 출력부(59)로 방출된다.
본 실시예의 테라헤르츠 발진기(50)는 발진소자부가 마련된 상부측이 오픈되어 있으나, 도 4를 참조한 실시예처럼 상부측이 덮개로 덥힐 수 있으며, 이러한 덮개는 대칭적인 결합공동형 공진 구조를 갖거나 단순한 기판일 수 있다.
전술한 실시예들의 테라헤르츠 발진기의 발진 구조외에도 나노 공진 구조, 나선 발진 구조, 표면 플라즈몬 여기 구조 및 메타물질 구조 등의 다양한 발진 구조가 알려져 있으며, 이러한 다양한 발진 구조는, 전술한 실시예들의 테라헤르츠 발진기의 발진회로를 대신하여 채용될 수 있다.
전술한 실시예들은 테라헤르츠 발진기가 테라헤르츠 전자기파가 발진되는 경우만을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 당해 분야의 당업자라면, 발진회로에 외부의 전자기파를 입력하여 이를 증폭시키는 테라헤르츠 증폭기로서 전술한 실시예들의 테라헤르츠 발진기가 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 8a 내지 도 8g는 일 실시예에 따른 테라헤르츠 발진기의 제조방법을 도시한다.
도 8a를 참조하면, 먼저 SOI(Silicon on Insulator) 기판과 같은 기판층(111)과 지지층(115)이 절연층(113)으로 접합된 기판(110)을 준비한다. 준비된 기판(110)의 기판층(111)을 캐소드 영역(R1), 애노드 영역(R2), 발진회로 영역(R3) 및 콜렉터 영역(R4)으로 구분하여 식각하는 마스크 패터닝을 하고 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)와 같은 방법으로 식각한다. 이때, 식각 깊이는 전자기파의 발진이 가능한 깊이로 하되, 기판층(111)의 높이보다는 작게 한다.
다음으로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 식각된 기판층(111)상에 전자빔 증착법, 스퍼터링, 도금법 등의 방법으로 금속막(120)을 형성한다. 금속막(120)은 Au, Cr, Cu, Ti, Mo, Al 등의 금속으로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 8c에 도시된 바와 같이, 기판층(111)의 상면을 포토레지스트(photo resist)로 덮어, 식각된 부분을 채우고, 캐소드 영역(R1), 애노드 영역(R2), 발진회로 영역(R3), 및 콜렉터 영역(R4) 사이의 영역만을 노광하고 현상하여 일부 포토레지스트를 제거한다. 나아가 도 8d에 도시된 바와 같이, 포토레지스트가 제거된 부분들(130a, 130b, 130c)의 금속막(120)을 식각하여 제거한 후, 절연층(113)이 나타날 때까지 기판층(111)을 식각하여 캐소드 영역(R1), 애노드 영역(R2), 발진회로 영역(R3), 및 콜렉터 영역(R4)들이 상호간에 절연되도록 한다.
다음으로, 도 8e와 같이 캐소드 영역(R1)의 수직면(111a)을 포함한 기판층(111)에 촉매층(140)을 형성한다. 이러한 촉매층(140)은 예를 들어, 카본나노튜브가 합성될 수 있는 Co, Ni, Fe, Invar 등의 금속으로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 8f와 같이 촉매층(140)은 기판층(111)의 캐소드 영역(R1)의 수직면(111a)에 형성된 부분만을 남기고 그 외의 부분은 제거하며, 포토레지스트(130)도 제거한다. 다음으로, 화학기상증착법((Chemical vapor deposition; CVD)과 같은 방법으로 기판층(111)의 캐소드 영역(R1)의 수직면(111a)에 형성된 촉매층(140)을 기초로 카본나노튜브(150)를 성장시킨다.
이러한 카본나노튜브(150)는 캐소드를 이루는 전자빔 방출원의 일례이다. 만일, 열방출형 캐소드를 마련하고자 하는 경우에는 낮은 일함수를 갖는 물질로 전자빔 방출원을 기판층(111)의 수직면(111a)에 형성할 수 있으며, 이외 여러가지 물질로 전자의 방출을 용이하게 할 수 있다.
다음으로, 도 8g와 같이, 기판(110)을 후면 가공하여 기판(110)을 관통하는 슬롯(190)을 발진 영역(R3)에 형성한다.
상기와 같이, 본 실시예의 테라헤르츠 발진기의 제조방법은, 캐소드, 애노드, 발진회로 및 콜렉터와 같은 발진소자부를 한꺼번에 하나의 기판(110) 상에 일체형 온칩 구조로 구현함으로써, 종래에 제시된 미세제조기술 등에서 요구되었던 복잡한 기계적/자기적 정렬을 단순화시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 테라헤르츠 발진기의 제조방법은, 전자기파의 주파수가 높아짐에 따라 더욱 정교할 것이 요구되는 리소그래피 공정 및 정렬을 가능하게 한다. 나아가, 본 실시예의 테라헤르츠 발진기의 제조방법은, 기판의 식각이나 금속막의 형성과 같은 비교적 단순한 공정을 통해서 이루어질 수 있다.
전술한 본 발명인 테라헤르츠 발진기 및 그 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 절연층; 및
    상기 절연층 상의 기판층이 소정 패턴으로 식각되어 마련되는 것으로, 전자빔을 방출하는 캐소드, 상기 캐소드에서 방출된 전자빔을 집속시키는 애노드, 상기 캐소드와 마주보게 배치되어 상기 애노드에서 집속된 전자빔을 회수하는 콜렉터, 상기 애노드와 콜렉터 사이에 배치되어 경유하는 전자빔의 에너지를 전자기파의 에너지로 전환시키는 발진회로, 및 상기 발진회로와 연결되어 전자기파의 에너지를 외부로 방출시키는 출력부를 포함하는 발진소자부;를 포함하며,
    상기 캐소드의 전자빔 방출면은 상기 절연층에 수직한 축을 중심으로 휘어져 전자빔 방출 방향에 대해 오목하면서 상기 기판층에 수직하게 형성된 면인 테라헤르츠 발진기.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드는 전계방출형, 열전자 방출형, 또는 광 여기형의 전자빔 방출원 중 어느 하나인 테라헤르츠 발진기.
  4. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 발진회로는 상기 기판층이 식각되어 형성된 복수의 돌출부가 2차원으로 배열된 광결정 구조를 갖는 테라헤르츠 발진기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 출력부는 상기 발진회로가 마련된 영역 중 상기 애노드에 인접한 곳에 상기 기판이 관통되어 형성된 슬롯을 포함하는 테라헤르츠 발진기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 애노드와 상기 출력부 사이에 위치한 상기 발진회로의 돌출부들과 상기 출력부와 상기 콜렉터 사이에 위치한 상기 발진회로의 돌출부들은, 배열 및 형상 중 적어도 어느 하나가 서로 다른 테라헤르츠 발진기.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 발진회로의 돌출부들은 상기 기판층의 상부에서 보았을 때, 적어도 2회 이상 굽어져 이루어진 접혀진 도파로를 형성하도록 배열되며,
    상기 출력부는 상기 접혀진 도파로의 일 끝단이 외부로 오픈되어 형성되는 테라헤르츠 발진기.
  8. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 발진회로는 접혀진 도파관 공진 구조를 가지며,
    상기 접혀진 도파관 공진 구조는 전자빔이 지나는 경로를 복수회 가로지르도록 상기 기판층 상에 적어도 2회 이상 굽어진 긴 홈으로 식각되어 형성되며,
    상기 출력부는 상기 홈의 일 끝단이 외부로 오픈되어 형성되는 테라헤르츠 발진기.
  9. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 발진회로는 상기 기판층이 식각되어 형성되며 전자빔이 지나는 경로를 사이에 두고 양측에 배열되는 복수의 공동부와, 상기 복수의 공동부들을 결합시키는 결합부를 포함하는 결합공동형 공진 구조를 가지며,
    상기 출력부는 상기 복수의 공동부 중 일 끝단이 외부로 오픈되어 형성되는 테라헤르츠 발진기.
  10. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 발진회로는 테라헤르츠 전자기파가 발진되도록 하는 광결정 구조, 나노공진 구조, 결합공동형 공진 구조, 접혀진 도파관 공진 구조, 나선 발진 구조, 그루브 구조, 진행파 구조, 표면 플라즈몬 여기 구조 및 메타물질 구조를 포함하는 그룹에서 적어도 어느 하나의 구조로 형성된 테라헤르츠 발진기.
  11. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 발진회로를 덮는 덮개를 더 포함하는 테라헤르츠 발진기.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 덮개는 상기 발진회로에 대칭구조로 형성된 제2 발진회로를 갖는 테라헤르츠 발진기.
  13. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 캐소드, 애노드, 콜렉터 및 발진회로를 덮는 덮개를 더 포함하는 테라헤르츠 발진기.
  14. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠 발진기와 대칭되는 구조를 갖는 덮개를 더 포함하는 테라헤르츠 발진기.
  15. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 캐소드, 애노드, 콜렉터 및 발진회로 중 적어도 어느 하나는 식각된 기판층 상에 도포된 금속막을 포함하는 테라헤르츠 발진기.
  16. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 절연층 및 기판층은 실리콘 온 인슐레이터 기판인 테라헤르츠 발진기.
  17. 절연층 상에 마련된 기판층을 포함하는 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판층을 캐소드 영역, 애노드 영역, 발진회로 영역 및 콜렉터 영역으로 구분하여 식각하는 단계;
    상기 기판층의 상면에서 상기 캐소드 영역 및 애노드 영역을 포함하는 영역을 금속막으로 도포하는 단계;
    상기 기판층 중 상기 캐소드 영역, 애노드 영역, 발진회로 영역 및 콜렉터 영역을 제외한 나머지 영역은 절연층이 노출되도록 식각하는 단계; 및
    상기 기판층의 상기 캐소드 영역에 전자빔 방출원을 마련하는 단계;를 포함하며,
    상기 기판층의 상기 캐소드 영역의 전자빔 방출면은, 상기 절연층에 수직한 축을 중심으로 휘어져 전자빔 방출 방향에 대해 오목하면서 상기 절연층에 수직하게 형성하는 테라헤르츠 발진기의 제조방법.
  18. 삭제
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 발진회로 영역은 테라헤르츠 전자기파가 발진되도록 하는 광결정 구조, 나노공진 구조, 결합공동형 공진 구조, 접혀진 도파관 공진 구조, 나선 발진 구조, 그루브 구조, 진행파 구조, 표면 플라즈몬 여기 구조 및 메타물질 구조를 포함하는 그룹에서 적어도 어느 하나의 구조의 패턴으로 식각하여 형성하는 테라헤르츠 발진기의 제조방법.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 온 인슐레이터 기판인 테라헤르츠 발진기의 제조방법.
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