KR20120062867A - 부성 저항소자를 갖는 발진기 - Google Patents

Abstract

발진기는, 부성 저항소자와 공진기를 갖고, 이와 함께 용량부가 전원 바이어스 회로에 대해서 상기 부성 저항소자와 전기적으로 병렬로 접속되고, 상기 용량부의 용량이, 상기 전원 바이어스 회로에 의한 어떠한 기생 발진도 억제하고 상기 부성 저항소자와 상기 공진기에 의한 공진주파수의 발진을 허용하도록 선택된다.

Description

부성 저항소자를 갖는 발진기{OSCILLATOR HAVING NEGATIVE RESISTANCE ELEMENT}

본 발명은, 발진기에 관한 것으로, 특히, 밀리미터파 대역으로부터 테라헤르츠파 대역(30GHz이상 30THz이하)의 주파수 영역에 있어서의 주파수 성분을 적어도 일부에 포함하는 전자파를 발진하는 전류주입형의 발진기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 공명터널 다이오드 구조를 갖는 소자등의 부성 저항소자를 갖는 전류주입형의 발진기에 관한 것이다.

밀리미터파 대역으로부터 테라헤르츠파 대역(30GHz이상 30THz이하)의 주파수 영역의 전자파를 사용한 비파괴 센싱 기술이 개발되어 있다. 이 주파수대의 전자파의 응용 분야는, X선장치를 대신하는 안전한 투시 검사장치를 사용한 이미징 기술을 커버한다. 물질내부의 흡수 스펙트럼 및/또는 복소 유전율을 구해서 결합 상태등의 물질의 물성을 조사하는 분광 기술, 생체분자의 해석 기술, 및 캐리어 농도와 이동도를 평가하는 기술등의 기술들이 개발되어 있다. 또한, 테라헤르츠 대역 특유의 흡수 스펙트럼, 소위 지문 스펙트럼을 나타내는 물질의 유무를 검사하는 검사장치의 개발도 검토되고 있다. 이러한 검사장치는, 조사하고 싶은 물질의 지문 스펙트럼 근방의 각각의 발진 주파수(전형적으로는 0.1THz로부터 10THz까지)를 갖는 발진기를 이산적으로 복수 준비하면, 시간 영역 또는 주파수 영역의 소인(sweep)이 없기 때문에 고속으로 검사할 수 있다.

테라헤르츠파를 발생하는 수단은, 펨토초 레이저로부터의 빛을 광전도 소자에 조사해서 펄스파를 발생시키도록 구성된 것들과, 나노초 레이저로부터의 빛을 비선형 결정에 조사해서 특정 주파수를 발생시키도록 구성된 파라메트릭(parametric) 발진을 위한 것들을 포함한다. 그러나, 이러한 모든 수단은, 광여기에 기초하고, 소형화와 저소비 전력화에는 한계에 직면한다. 이렇게 하여서, 테라헤르츠파의 영역에서 동작하는 전류주입형의 소자로서, 양자 캐스케이드 레이저나 공명터널 다이오드(RTD)를 사용한 구조들이 검토되고 있다. 특히, 후자의 공명터널 다이오드형 소자는, 1THz근방에서 실온 동작하는 것으로서 연구가 진척되고 있다(특허문헌(PTL)1 및 비특허문헌1 참조). 이러한 소자들은, 전형적으로는, GaAs나 InP 기판 위에 격자정합계로 에피택셜 성장된 GaAs/AlGaAs나 InGaAs/InAlAs로 이루어진 양자우물을 사용하여 형성된다. 상기 소자는, 도 5에 나타낸 것과 같은 전압/전류(V-I)특성의 부성 저항영역의 근방에 있어서 전압을 바이어스 함으로써 발진한다. 발진하기 위한 공진기 구조로서, PTL1에 나타낸 것과 같은 기판 위에 형성된 평면 안테나 구조를 이용한다.

이러한 RTD소자는, 넓은 주파수 영역에 있어서 이득을 보인다. 그 때문에, 전원 바이어스 회로를 RTD소자에 접속하는 결과로서 발생하는 원하는 발진이외의 비교적 저주파의 공진점에 기인하는 기생 발진을 억제하는 것이 필요하다. PTL 1에서의 저항기, 또는 NPL 1에서의 도 6에 나타낸 것과 같은 다이오드 소자(63)를 RTD소자(64)와 병렬로 접속함으로써 상기 기생 발진을 억제한다. 이때, 도 6에서, 60은 발진 출력을 추출하기 위한 슬롯 안테나를 겸한 전송선로를 나타내고, 61, 62는 상기 전송선로의 종단부에서의 용량소자를 나타낸다. 상기 60, 61, 62 및 64에 의해 발진기를 형성한다. 65는 RTD소자(64)에 전압을 인가하기 위한 전원(Vbias)을 나타내고, 66은 전원(65)의 내부저항과 접속 선(67)이 갖는 저항의 합(Rbias)을 나타낸다. 65, 66 및 67에 의해 전원 바이어스 회로를 형성한다.

PTL 1: 일본국 공개특허공보 특개2007-124250호

NPL 1: IEEE Electron device Letters, vol. 18, 1997, pp.218-221 NPL 2: IEEE MICROWAVE AND GUIDE WAVE LETTERS, VOL.5,N0.7,JULY 1995, pp. 219-221

PTL 1의 방법에서는, 다이오드 소자(63)를, 도 6의 RTD소자(64)의 부성 저항과 거의 같은 저항을 갖는 저항소자로 대체하여서 저주파영역에서는 부성 저항을 캔슬해서, 이득이 생기지 않도록 하고, 기생 발진을 억제한다. 여기에서 사용된 것과 같은 저주파는, 전원 바이어스 회로를 RTD소자에 접속하기 위한 케이블 길이에도 의존하기는 하지만, 대략 kHz와 MHz의 오더(order)다. 그러나, 상기 저항소자의 저항치는 수십 옴(Ω)정도이고, 발진에 기여하지 않는 직류전류가 저항소자에 흘러서 전력변환효율의 향상에는 한계가 있었다. 한편, NPL 1에서는, 전술한 것처럼 다이오드 소자(63)를 저항소자 대신에 사용한다. 그리고, RTD소자를 구동시켜 발진할 때 바이어스 전압 근방에 있어서의 다이오드 소자(63)에 대한 부성 저항을 캔슬할 수 있는 미분저항치를 선택해서, 기생 발진이 나타나는 것을 방지한다. 역시 이러한 구성에서는, 직류전류를 RTD소자이외의 소자에 흘려보내어 저소비 전력화에는 한계가 있다.

또한, 저항소자 및 다이오드 소자 양쪽은, 전류를 흘려보내는 것으로 전력을 소비해서 발열하게 된다. 그리고, 이 때문에, RTD소자 근방에 발열체를 집적해서 배치함으로써 상기 RTD소자가 가열되어서, 소자의 수명과 이득을 저하시킨다.

본 발명의 일 국면에서는, 본 발명에 따른 발진기는, 부성 저항소자와, 전원 바이어스 회로에 대해서 상기 부성 저항소자와 병렬로 전기적으로 접속된 용량부와 함께 공진기를 구비하고, 상기 용량부의 용량이, 상기 전원 바이어스 회로에 의한 어떠한 기생 발진도 억제해서 상기 부성 저항소자와 상기 공진기에 의한 공진주파수의 발진을 허용하도록 선택된다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은, 첨부도면들과 관련된 다음의 설명으로부터 명백하고, 이 도면에서 동일 참조문자는 도면 전체에 걸쳐서 동일 또는 유사한 부분을 지정한다.

본 명세서에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부도면들은, 본 발명의 실시예들을 나타내고, 이 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 본 발명의 실시예 1의 발진기의 개략적인 사시도다.
도 1b는 본 발명의 실시예 1의 발진기의 개략적인 단면도다.
도 2는 본 발명의 원리 설명에 있어서 주파수 대역과 에너지 손실량간의 관계를 도시한 그래프다.
도 3은 본 발명의 실시예 2의 발진기의 개략적인 사시도다.
도 4는 본 발명의 실시예 3의 발진기의 개략적인 사시도다.
도 5는 부성 저항소자의 발진에 관한 개략적인 설명도다.
도 6은 종래의 발진기에 관한 개략적인 설명도다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 본 실시예의 발진기에 있어서 중요한 것은, 다음의 점이다. 즉, 전원 바이어스 회로에 대해서 부성 저항소자와 전기적으로 병렬로 접속되는 용량부의 용량을, 전원 바이어스 회로에 의한 어떠한 기생 발진도 억제하고 상기 부성 저항소자와 공진기에 의한 공진주파수의 발진을 허용하도록 선택하는 것이다. 달리 말하면, 상기 용량부가 1개의 부분으로 구성된다면, 그 부분은 어떠한 기생 발진도 억제하고 원하는 공진주파수에서의 발진을 발생하도록 작동한다. 한편, 상기 용량부가 복수의 부분으로 구성된다면, 그 복수의 부분은, 어떠한 기생 발진도 억제하고 원하는 공진주파수의 발진을 발생하도록 작동한다. 이러한 사고방식에 근거하여, 본 실시예의 발진기는, 상술한 기본적인 구성을 갖는다.

이 기본적인 구성에 의하면, 본 발명에 따른 발진기는, 이하에 서술한 것과 같은 보다 구체적인 구성을 가질 수도 있다. 이를테면, 상기 공진기의 일부는 상기 부성 저항소자의 2개의 전극으로서 작동하고, 상기 용량부는 상기 전극들과 전기적으로 병렬로 접속된다. 그리고, 상기 용량부의 용량C는, 이하에 설명된 것처럼 선택된다. 즉, 이 용량부에 접속된 전원 바이어스 회로의 총 저항 R에 의해 결정되는 컷오프 각도(angular) 주파수ω=1/(CR)는, 전원 바이어스 회로와 부성 저항소자로 형성된 루프 귀환회로의 기본 공진주파수보다도 작아지도록 선택된다(후술하는 실시예들 참조). 또한, 상기 용량부와 부성 저항소자는, 전기적 길이의 관점에서 공진주파수에 해당하는 발진 파장의 1/4정도만큼 분리되고, 선로로 접속되어도 된다(후술하는 실시예 1 참조). 또한, 상기 용량부는, 부성 저항소자와 병렬로 접속한 용량이 다른 2개 또는 2개보다 많은 용량부로 이루어지고, 부성 저항소자로부터 보다 멀리 위치된 상기 용량부의 용량은 보다 큰 용량을 가져도 된다(후술하는 실시예들 참조).

본 발명의 실시예 1은, RTD소자와 대용량의 커패시터를 동일 기판상에서 집적화한 구조를 가진다. 도 1a는 그 구조를 나타낸 개략적인 사시도이고, 도 1b는 도 1a에 있어서의 1B-1B를 따라 자른 개략적인 단면도다. 도 1a 및 1b에 있어서, 4는 포스트형의 RTD소자이며, InP기판(1) 위에 결정성장에 의해 형성한 InGaAs/AlAs 또는 InGaAs/InAlAs양자우물(17), 한 쌍의 콘택층(15, 16) 및 스페이서층(도면에 나타내지 않는다)을 포함하는 에피택셜층을 더 포함한다. GaAs기판상의 AlGaAs/GaAs, GaN기판상의 AlGaN/InGaN등의 III-V족 화합물반도체, Si기판상의 Si/SiGe등의 IV족 반도체, 및 II-VI족 반도체로 구성한 부성 저항소자도 적용할 수도 있다.

공진기는, 그라운드 플레인으로서도 작동하는 전극2, 패치 안테나와 전원공급으로서도 작동하는 전극5, 및 그것들 사이에 끼워진 유전체(3)로 구성된다. 유전체(3)는, 발진하는 영역에서 손실이 적은 것이 바람직하다. 바람직한 예의 유전체는, BCB(상품명: 벤조시클로부텐), 폴리이미드, 폴리에틸렌 및 폴리 올레핀이 있고, 여기에서는 BCB를 이용한다. 도 1b로부터 알 수 있듯이, RTD소자(4)의 한쪽의 콘택은 n⁺InGaAs콘택층(15)을 거쳐서 그라운드 플레인 전극(2)에 접속되고, 다른쪽은 패치 안테나가 되는 전극(5)에 n⁺InGaAs콘택층(16)을 거쳐서 접속된다. 상기 안테나(5)는, 선로(10) 및 용량소자를 구성하는 전극6, 7과 전기적으로 접속하여, 전기 전원(9)으로부터 케이블 선로(13)와 전극2, 7을 거쳐서 RTD소자(4)에 바이어스 공급될 수 있다.

본 실시예에서는, 비교적 소용량(pF오더의 크기)의 제1용량부C₁(11)이 선로(10)를 거쳐서 RTD소자(4)의 근방에 형성되어 있다. 바람직하게는, 발진기의 설계 발진 파장을 안정하게 얻기 위해서, RTD소자(4)로부터 발진 파장λ의 1/4이내의 위치에 형성된다. 예를 들면, 발진 주파수가 0.5THz일 경우에, 파장은 자유공간에서 약 600㎛이며, 그에 따라 150㎛정도의 거리만큼 분리된 위치에 제1용량부(11)의 전극(6)을 구비한다. 패치 안테나(5)의 경우에는, 선로(10)의 길이가 λ/4정도이면 충분하다. 실제로는, 유전체가 있기 때문에 파장 단축 효과를 생각한 실효적인 길이로 발진기를 설계함으로써, 상기 거리가 이용되는 재료에 좌우되기는 하지만, 그 거리가 자유공간의 거리의 절반정도다. 이것은, 유효 유전율을 ε_eff라고 했을 때에 관내파장 혹은 전기적 길이라고 일반적으로 말하여지는 길이가, 약 1/√ε_eff만큼 단축된다는 사실에 기인한다. 그리고, 제1용량부로서 작동하는 상기 용량부는, 패치 안테나(5)를 형성하기 위한 유전체(3)를 공유한다. 이 제1용량부의 구비로 인해, 바이어스를 공급하기 위해서 필요한 선로에 기인하는 기생 발진을 어느 정도 방지하면서 원하는 발진 주파수에서만 발진하는 것이 가능하다. 상기 제1용량부의 용량이 1pF이면, 유전체(3)가 BCB(비유전율 2.7)로 제조되고 두께가 3㎛(RTD소자의 포스트 높이에 따라 다름)일 경우, 전극(6)의 사이즈는 약 10^-7m²이 된다. 이것은, C=εS/d(S는 전극면적, d는 전극간 거리, ε는 유전체의 유전율)의 관계로부터 계산된다. 따라서, 전극(6)은 길이가 100㎛의 수배정도인 변들을 가져도 된다.

다음에, 본 실시예에서는, 제1용량부의 바이어스 회로에 가까운 제1용량부와, 비교적 대용량(nF와 ㎌사이의 오더의 크기)의 제2용량부C₂(12)를 병렬로 접속한다. 높은 유전율을 갖는 재료(8)를 선택한 후, 두께도 얇게 하였다. 예를 들면, 수10이상의 비유전율과 같은 고유전율 재료(예를 들면, 산화티타늄, 티탄산바륨등), 두께 0.1㎛정도 및 면적 1cm²(변이 1cm)를 사용하여, 제2용량부(12)의 용량을 약 100nF로 할 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 복수의 용량부가, 동일 기판 위에 집적화된다. 도 1a 및 1b에서는 전극6과 전극7의 폭이 같게 그려져 있지만, 그 전극6과 전극7이 전기적으로 접속되어 있으면, 이것들은 높이 방향뿐만 아니라 폭방향으로도 단차를 초래하기도 한다.

이하, 기생 발진의 억제 효과에 대해서 주파수 대역을 나타내는 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2에서, 가로축은, 1Hz로부터 시작하는 주파수의 1000Hz로부터 1THz까지의 단차를 나타내는 대수축이다. 세로축은, 발진회로와 전원 바이어스 회로에서의 에너지 손실량을 임의로 선택된 눈금으로 모식적으로 나타낸다. 도 2에서, 실선으로 그려진 사다리꼴 모양의 그래프(23)는, 제1용량부C₁에 의해 결정된 특성을 나타내어, 원하는 발진 주파수에서 굵은 실선(20)으로 나타낸 것과 같은 주파수(예를 들면, 700GHz)에서는 손실이 작지만, 그 원하는 주파수 이하에서는 손실이 커진다는 것을 입증한다. 추가로, 제1용량부의 용량의 한계로 인해, 수10 GHz이하의 주파수에서는 억제 효과가 작아지고, 에너지 손실량이 감소한다. 이것은, 바이어스 회로의 내부저항과 케이블 선로(13)의 저항값을 합계한 저항 Rs(14)와 커패시터 용량C₁인 경우, 하기의 식(1)로 기재된 컷오프 주파수f의 필터 소자가 형성되기 때문이다.

f = 1/(C₁?Rs?2π) (1)

이렇게 하여, Rs≒10Ω이라고 하면, 1pF의 용량을 갖는 용량C₁과 10Ω의 저항을 갖는 저항기Rs로 구성된 컷오프 주파수는, 약 16GHz가 된다. 종래는, 이 컷오프 주파수 이하에서 기생 발진이 일어나기 때문에, 저항소자 혹은 다이오드 소자에 의해 손실이 증가하였다. 이것이, 도 2의 점선(26)으로 나타낸 특성이며, 이러한 소자를 RTD소자로부터 λ/4만큼 떨어진 위치에 배치하여서 발진 포인트(20)에서는 손실이 없는 창문영역을 형성하여, 발진을 한다.

본 실시예에서는, 저항소자를 사용하지 않고, 제2용량부(12)에 의해 생긴 일점쇄선(24)의 사다리꼴 특성 그래프를 이용하여 보다 저주파영역에서의 기생 발진을 억제한다. 즉, 용량C₂의 용량=10nF이면, 컷오프 주파수(27)는 상기 식(1)으로 구해진(C₁의 부분은 C₁+C₂≒C₂) 1.60MHz정도가 되어, 전원 바이어스 회로의 발진 포인트(22)보다도 낮은 주파수로 할 수 있다. 전원 바이어스 회로에 기인한 발진 주파수는, RTD소자(4)를 이득소자로서 사용하는 2단자 루프 귀환회로의 발진 조건으로 결정된다. 즉, 케이블 선로길이를 L, 케이블 선로를 통해 전파하는 실효 비유전율을 ε_eff, 광속을 c₀라고 하면, 전원 바이어스 회로의 공진주파수(22)는, 다음 식(2)으로 나타낸다.

f=c₀/λ=c₀/(2L√ε_eff) (2)

예를 들어, L=1m의 2개의 리드선으로 접속하고 ε_eff=1이라고 하면, 상기 공진주파수는 약 150MHz가 된다. 그리고, 이 결과, 제2용량부(12)에 의해, 바이어스 회로에 기인하는 기생 발진은 억제 가능하다. 제2용량부에 있어서의 보다 높은 주파수 대역의 컷오프 효과는, MIM(금속-절연체-금속) 구조일 경우 상기 용량소자를 구성하는 유전체에 의해 결정되지만, 수10 GHz정도까지 유전율의 큰 변화가 없는 유전체 재료의 사용이 충분할 수도 있다.

상기 제1용량부와 상기 제2용량부의 불연속량에 따라서는, 반사등에 의해 공진 점(21)이 발생할 수 있지만, 제1용량부의 억제 가능한 주파수 대역에서 발견하는 것이 바람직하다. 이상의 도 2를 참조한 설명으로부터, 바이어스 회로의 직렬저항 Rs, 바이어스 회로에 기인한 발진 주파수, 및 상기 제1 및 제2용량부에 의해 생긴 컷오프 주파수에 대해 적절한 관계를 확립하도록, 본 발명에 따른 공진기를 설계할 필요가 있다는 것이 명백할 것이다. 즉, 이러한 구성으로, 저항소자를 사용하지 않아도 기생 발진을 억제할 수 있고, 발진에 기여하지 않는 비유효 직류전류를 최소활 수 있다.

그리고, 이 때문에, 전원 바이어스 회로의 케이블 저항, 전원 내부저항, 케이블 길이에 따라 RTD소자의 설계가 바뀌게 되고, 총 저항치가 RTD소자(4)의 부성 저항의 절대값보다도 작지 않으면 부성 저항영역에서 바이어스할 수 없다고 하는 제약이 있다. 이것은, 전원 바이어스 회로에 기인한 총 직렬저항Rs가 그 소자를 구동하기 위한 부하 직선의 기울기 -1/Rs를 결정하기 때문이다. Rs가 부성 저항보다도 크다, 즉 -1/Rs>-1/Rrtd인 경우에는, 부성 저항영역의 전후에서 부하 직선과 상기 RTD의 I-V곡선이 교차하여, 그 안정 점들 중 어느 한쪽에 대해 건너뛰어서 바이어스 되어 버린다(예를 들면, NPL 2 참조).

이상은 다음과 같이 요약할 수 있다. 본 실시예에서는, 용량부를, 저항소자등을 대체하도록 구성한다. 그리고, 전원 바이어스 회로의 길이와 다른 요인등으로 결정된 공진주파수(예를 들면, 150MHz)보다 작은 컷오프 주파수(용량과 저항의 곱의 적에 반비례)를 제공하도록, 상기 용량부의 용량을 결정한다. 이것은, 전원 바이어스 회로이외의 구성의 길이가 보다 짧음에 따라 상기 컷오프 주파수가 상기 공진주파수보다도 커지기 때문이다. 한편, 상기 용량은, 유전율과 면적에 비례하고, 전극간의 거리에 반비례한다. RTD소자를 포함하는 발진회로를 형성하도록 선택된 유전체는 발진회로의 발진에 의해 생긴 전자파의 손실이 적은 것을 나타내야 하고, 그 발진회로의 구조는, 공기와 임피던스 정합을 실현하도록 정해질 필요가 있다. 용량을 크게 하기 위해서는, 면적을 크게 할 필요가 있지만, 너무 큰 면적은, 그에 따라서 용량이외의 저항등의 성분이 커지고, 그 면적이 커질 때 원하는 고주파특성을 얻을 수 없게 될 가능성이 있기 때문에, 바람직하지 못하다. 이 때문에, 상술한 용량을 갖는 영역을 제1용량부와 이와는 다른 용량을 갖는 제2용량부를 설치한다. 이 때, 제1용량부와 제2용량부와의 사이의 임피던스 불연속량과 전기적 길이에 의해 결정된 공진주파수를 나타내는 어떠한 전자파도, 제1용량부에 의해 커트할 필요가 있는 경우 제2용량부가 발진을 억제할 수 없기 때문에 상기 제1용량부에 의해 커트될 필요가 있다. 상기 제1용량부와 상기 제2용량부와의 사이의 전기적 길이가 길어지면 공진주파수가 작아지므로(상기 식(2) 참조), 제1용량부가, 그 공진주파수의 전자파를 커트할 수 있는 전기적 길이이어야 한다.

상기 실시예에서는 소자 제작의 용이성의 관점에서, 용량이 다른 2종류의 용량소자의 2개의 용량이 병렬로 스텝 모양으로 접속되었지만, 이와는 달리, 대용량을 나타내는 단일의 용량소자는, 부성 저항소자의 근방에 집적화되어도 된다. 즉, 단일의 용량소자는, 상기 제1용량부의 용량을 충분히 크게 할 수 있고, 저주파측의 컷오프 주파수를 전원 바이어스 회로에 기인한 발진 포인트(22)보다도 낮은 주파수로 할 수 있으면, 충분하기도 하다. 또한, 용량이 단계별 방식으로 변화하는 구조, 즉 접속부에서 유전체의 두께가 서서히 변화하고, 상부전극의 사이즈가 서서히 커지거나 하는 구조를 이용하여도 된다. 2개 또는 3개보다 많은 용량부를 단계 모양으로 배치한 구조를 이용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

본 실시예에 의하면, 전원 바이어스 회로등에 기인하는 기생 발진을 억제하기 위해 용량부를 사용함으로써 전력변환효율이 높고 발열이 적은 발진기를 제공할 수 있다. 그리고, 그 결과로, 소비 전력 저감, 사용기간의 향상, 및 이득저하의 방지를 행할 수 있는 구조의 발진기를 실현하는 것이 가능하다. 추가로, 이러한 발진기를 사용함으로써 소비 전력이 대단히 작은 소형의 테라헤르츠 이미징 장치와 테라헤르츠 분석 장치를 실현할 수 있다.

(예시 1)

실시예 1에 있어서의 소자구성의 구체적인 예시를 서술한다. 본 예시에서는, RTD소자가, InP기판 위에 형성된다. 제1장벽층AlAs(1.3nm), 제1양자우물층InGaAs(7.6nm), 제2장벽층InAlAs(2.6nm), 제2양자우물층InGaAs(5.6nm), 제3장벽층AlAs(1.3nm)의 3중장벽 양자우물구조를 사용한다. 모든 조성비는, AlAs이외는 InP기판에 격자 조정되어 있다. 한편, AlAs는 변위층(strained-layer)이지만, 그 두께는 한계막 두께미만이다. 이 3중장벽 양자우물구조의 상부 및 하부에, 논(non)도프 InGaAs로 이루어진 스페이서층, n형 InGaAs전기접점층, 및 n⁺InGaAs콘택층이 배치되어 있다. RTD 소자 포스트(post)는 직경이 약 2㎛의 원형이다. 그리고, 포톤 어시스트 터널 현상에 의해 전류밀도가 Jp=280kA/cm², 피크 밸리비가 3, 미분 부성 저항이 약 -22Ω인 전류전압특성을 얻을 수 있다. 패치(patch) 안테나의 전극5는 150㎛×150㎛의 정방형 패턴을 갖고, 그 중심으로부터 전극6으로부터 멀리 이동하는 방향으로 평행하게 40㎛ 이동한 위치에 포스트가 있다. 상기 공진기는, 패치 안테나 공진기와 RTD소자가 임피던스 정합을 나타내도록 제작되어 있다. 안테나 사이즈가 대략 λ/2에 해당하므로, 상기 발진 주파수는 약 530GHz가 된다.

상기 전극(2, 5)은 Ti/Pd/Au(20nm/20nm/200nm)로 제작된다. 선로(10)는, 폭 12㎛, 길이 75㎛이며, 530GHz의 발진 파장에 대해서 λ/4선로가 되도록 설계했다. 제1용량부를 형성하는 전극6은, 수 pF의 용량을 갖게 200㎛×lOOO㎛의 장방형 프로파일을 나타내도록 한다. 제2용량부의 경우는, 유전체(8)를 유전율 약 30의 산화티타늄(0.1㎛ 두께)으로 제조하고, 전극(7)을 약 2nF의 용량을 갖게 1000㎛×lOOO㎛의 프로파일을 나타내도록 한다. 그리고, 10Ω의 전원 바이어스 회로에 접속했을 때에, 컷오프 주파수는 약 8MHz가 되기 때문에, 약 18m보다도 짧은 케이블이면, 어떠한 기생 발진도 일으키지 않고 530GHz를 기본파로 하는 발진을 얻는다.

본 발명의 실시예 2는, 도 3과 같이 제2용량부를 다른 칩으로서 동일 마운트(mount) 위에 설치하는 구조를 갖는다. 도 3에 있어서, 30은, 상기 칩을 설치하기 위한 서브 캐리어다. 서브 캐리어(30)로서는, Si기판, Al₂0₃, 및 AlN등의 세라믹 기판, 또는 플라스틱 기판이나 금속판 등의 표면에 Au등의 도전층(31)을 코팅하여 준비한 기판을 선택적으로 이용하여도 된다. 37 은 RTD소자 칩이나, 실시예 1의 제1용량부에 해당하는 부분까지 상기 RTD소자와 부품을 갖도록 실현된 단일칩이다. 패치안테나(33) 및 전극(34)은, 선로(39)에 의해 접속되어 있다. 그렇지만, 이때, 제1용량부에 해당하는 부분의 용량은, 실시예 1보다는 크게 할 필요가 있다. RTD 소자의 한쪽의 콘택은 서브 캐리어의 도전층(31)과 접속되고, 다른쪽의 콘택은 Au 와이어 본딩(35)에 의해 제2용량부를 형성하는 칩 커패시터(38)의 1개의 전극(36)과 접속되어 있다. 도 3에서는 와이어 본딩(35)이 1개이지만, 필요에 따라 복수의 와이어 본딩을 설치하여도 된다. 칩 커패시터(38)의 또 한쪽의 전극은 도전성을 갖고서 상기 서브 캐리어의 도전층(31)과 접속되어 있다. 와이어 본딩(35)의 접속 길이에 의해, 제1용량부와 제2용량부의 불연속성으로 인해 발생하는 도 2의 주파수 대역에 있어서의 공진점(21)이 결정되고, 이 공진 점보다도 제1용량부의 용량의 컷오프 주파수가 작아지게 할 필요가 있다. 이 때문에, 제1용량부의 용량을, 실시예 1보다는 크게 하고 있다.

전원 바이어스 회로(40)는, 칩 커패시터의 전극(36)과 서브 캐리어의 도전층(31)에 접속된다. 본 실시예에서는 개별의 커패시터를 선택해서 설치할 수 있기 때문에, 본 실시예는 보다 높은 자유도를 제공하고, 1㎌등의 비교적 큰 커패시터를 접속할 수 있다. 높은 자유도는, 용량이 커지면 저역 컷오프 주파수가 내려가기 때문에, 사용하는 전원 바이어스 회로의 케이블 길이와 저항을 증가시킬 수 있다. 총 저항Rs가 실시예 1에서와 같이 10Ω이고, 상기 커패시터가 1㎌의 용량을 가지면, 상기 컷오프 주파수는 약 16kHz이고, 그러므로, 실시예 2에서는, 케이블 길이가 km오더를 갖는 한 어떠한 기생 발진도 억제하는 효과를 제공한다.

상기 제2용량부가 칩 커패시터이지만, 개개의 커패시터에 의한 기생 인덕턴스를 고려하여서, 제2용량부까지의 부품을 RTD소자와 집적화하고, 제3용량부 이후의 부품을 개별의 칩으로서 실현하여도 된다.

본 발명의 실시예 3에 개시된 공진기는, 도 4에 나타낸 것과 같은 RTD소자로 형성된 스트라이프형의 공진기를 갖는다. RTD 소자의 결정구조는, 실시예 1의 예시에 서술한 반도체, 예를 들면 InP기판 위에 에피택셜성장에 의해 형성된 InGaAs/AlAs다중양자우물을 포함하는 층(46) 및 콘택층으로서 작용하는 n⁺InGaAs(47, 48) 등의 구조를 갖는다. 이러한 스트라이프형 구조를 형성하는 경우에, 테라헤르츠 대역에서는 유전체 도파관을 사용하는 것이 어렵고, 금속판 사이에 기판을 삽입하여서 형성된 더블 플라즈몬 도파관이 이용되는 것이 바람직하다. 이 때문에, 도 4의 기판(49)은 에피택셜 성장 기판이 아니고, 에피택셜 박막(46?48)을 유지하는 기판이다. GaAs나 InP는, 에피택셜 박막과 팽창계수가 가까운 재료로서 적합하게 이용된다. Si기판이나 세라믹 기판도 사용하여도 된다. 기판(49)의 표면에는, 금속막(43), 예를 들면 Ti/Au박막이 형성되어 있고, 에피택셜 성장막과는 Au-Au의 금속접합으로 접합되고(도면에 나타내지 않는다), 에피택셜 성장막의 성장 시에 사용한 InP기판은 에칭으로 제거된다.

도 4에서, 참조부호 45는, 에피택셜층의 주위에 BCB수지에 의해 형성된 유전체부이고, 제1용량부는 유전체부(45), 상부전극(41) 및 하부전극(43)에 의해 형성된다. 상기 부품의 치수는, 에피택셜 구조와 설계된 발진 주파수에 따라 선택되어도 되기는 하지만, 예를 들면 상기 다중양자우물을 포함하는 층(46)의 폭이 20㎛이고, 이 유전체부(45)를 포함하는 어셈블의 폭이 300㎛이며, 그 스트라이프의 길이가 500㎛다.

한편, 스트라이프형 영역의 주위에는, 유전체부(45)와는 달리 유전율이 높고 두께가 얇은 유전체(42)(예를 들면, 0.1㎛ 두꺼운 산화티탄 박막)가 형성되고, 상기 스트라이프부로부터 연장된 전극41과 전극43에 의해 제2용량부가 형성되어 있다. 전원 바이어스 회로(50)는, 도 4에 나타낸 것처럼, 전극41과 전극43에 접속된다. 이러한 구조로는, 고출력 RTD소자에 의해 어떠한 저항소자도 사용하는 일 없이, 상기 실시예들에 대해 서술한 원리와 같은 메커니즘으로 어떠한 기생 발진도 억제할 수 있다.

청구범위, 명세서, 도면 및 요약서를 포함하는 2009년 9월 7일에 출원된 일본국 특허출원번호 2009-205673의 전체 공개내용은, 여기서 전체적으로 참고로 포함되어 있다.

본 발명의 사상 및 범위를 일탈하지 않고 명백히 폭넓게 다른 실시예들을 여러 가지로 행할 수 있으므로, 본 발명이 청구범위에 기재된 것 외의 특정 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명은, 전자파(특히 테라헤르츠파)를 발생하는 부성저항소자를 갖는 발진기에 관한 것이다. 이러한 발진기는, 광원부로서 작동하도록 단층촬영장치, 분광검사장치 및 무선통신장비에서 응용할 수 있다.

본 발명을 예시적 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 예시적 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형, 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 아주 넓게 해석해야 한다.

본 출원은, 여기서 전체적으로 참고로 포함된, 2009년 9월 7일에 제출된 일본국 특허출원번호 2009-205673의 이점을 청구한다.

Claims (6)

1. 부성 저항소자와 공진기를 갖는 발진기로서,
   전원 바이어스 회로에 대해서 상기 부성 저항소자와 전기적으로 병렬로 접속된 용량부를 구비하고, 상기 용량부의 용량C가, 상기 전원 바이어스 회로에 의한 어떠한 기생 발진도 억제하고 상기 부성 저항소자와 상기 공진기에 의한 공진주파수의 발진을 허용하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 발진기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공진기의 일부는 상기 부성 저항소자의 2개의 전극으로서 작동하고,
   상기 용량부는 상기 전극들과 전기적으로 병렬로 접속되고
   상기 용량부의 용량C는, 상기 용량부에 접속된 상기 전원 바이어스 회로의 총 저항R에 의해 결정된 컷오프 각도 주파수ω=1/(CR)이, 상기 전원 바이어스 회로와 상기 부성 저항소자로 형성된 루프 귀환회로의 기본 공진주파수보다도 작아지도록 선택되는 것을 특징으로 하는 발진기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 용량부와 상기 부성 저항소자는, 전기적 길이에 관하여 공진주파수에 해당하는 발진파장의 1/4만큼 떨어져 있고, 선로에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 발진기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 용량부는 용량C가 다르고 상기 부성 저항소자와 병렬로 접속하는 2개이상의 용량부를 포함하고, 상기 부성 저항소자로부터 보다 멀리 위치된 상기 용량부의 상기 용량C가 대용량을 갖는 것을 특징으로 하는 발진기.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 2개 이상의 용량부는, 동일 기판 위에 집적화되는 것을 특징으로 하는 발진기.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전원 바이어스 회로의 총 저항은, 상기 부성 저항소자의 부성 저항의 절대값보다도 작은 것을 특징으로 하는 발진기.

Images