KR20170004965A - 주파수 가변 테라헤르츠 발진기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20170004965A
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rtd
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사후미 스즈키
세이치로 기타가와
마사히로 아사다
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도오쿄 인스티튜드 오브 테크놀로지
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Abstract

소형이며, 실온에 있어서도 연속하여 큰 주파수 소인폭을 가지는 주파수 가변 테라헤르츠 발진기를 제공한다. 슬롯 안테나가 배치되고, 슬롯 안테나를 따라 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드가 병렬로 설치되고, 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드에 각각 직류 전압을 인가함으로써 테라헤르츠 주파수대에서 발진한다.

Description

주파수 가변 테라헤르츠 발진기 및 그 제조 방법{FREQUENCY-VARIABLE TERAHERTZ OSCILLATOR AND METHOD FOR MAKING SAME}
본 발명은, 전파와 광파의 중간에 위치하는 테라헤르츠(THz) 주파수대의 주파수를 발진(發振)하는 동시에, 발진 주파수를 실온에서 연속하여 가변 가능한 주파수 가변 테라헤르츠 발진기 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 특히 소형이며, 2중 장벽형 공명(共鳴) 터널 다이오드(RTD) 및 버랙터 다이오드(varactor diod)(VD)를 사용한 분포 상수(定數; constant)적인 구성의 주파수 가변 테라헤르츠 발진기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 무선 통신의 디지털 고속화가 진행되고 있다. 그에 따라 테라헤르츠 주파수 대역에서의 통신이나 응용 분야에서의 수요가 증가하고 있고, 테라헤르츠 주파수 대역의 특징을 이용한 분광 분석, 이미징(imaging）이 기대되어 연구가 진행되고 있다. 테라헤르츠 주파수대에는 물질 고유의 흡수 스펙트럼이 많이 존재하므로, 이 흡수 스펙트럼을 측정하는 것에 의해 비파괴·비접촉으로 물질의 특정이 가능하게 된다. 그러나, 종래에는 탁상에 두는 것과 같은 대형의 계측 시스템이 필요했었다.
종래의 마이크로파대의 발진기에서는, 버랙터 다이오드를 단순한 저항(R), 인덕턴스(L), 커패시터(C)로 구성되는 집중 상수 회로로서 간주하여, 설계를 행할 수 있었다. 그러나, 테라헤르츠 주파수대에서는 파장이 마이크로파대보다 짧아져, 버랙터 다이오드의 사이즈가 파장에 대하여 무시할 수 없는 크기로 되므로, 버랙터 다이오드의 임피던스가 단순한 RLC만으로 나타낼 수 없어, 주파수에 의해 복잡하게 임피던스가 변화되는 분포 상수적인 특성을 가지게 된다.
일본 공개특허 제2013-171966호 공보(특허 문헌 1)에 나타낸 바와 같은 종래의 공명 터널 다이오드와 슬롯 안테나에 의한 테라헤르츠 발진기에서는, 공명 터널 다이오드의 면적과 슬롯 안테나의 사이즈에 의해 주파수가 결정되므로, 주파수 가변을 행할 수는 없다.
도 1은 종래의 테라헤르츠 발진기를 나타내고, 기판(3)의 상부에 하부 전극(4)이 층으로 형성되고, 하부 전극(4)의 대략 중앙부에 긴 형상의 오목부로 이루어지는 슬롯 안테나(2)가 설치되어 있다. 또한, 기판(3) 상에는 상부 전극(5)이 층으로 형성되고, 상부 전극(5)의 선단부에 MIM(Metal Insulator Metal) 커패시터(6)를 거쳐, 도 2에 나타낸 바와 같은 V-I 특성을 가지는 공명 터널 다이오드(1)가 설치되어 있다. 공명 터널 다이오드(1)는 바이어스를 인가하면, 우물 내의 양자(量子) 준위(準位)를 통하여 전자가 터널하여 전류가 흐르고, 또한 바이어스를 인가하여 가면, 우물 내의 양자 준위가 이미터의 전도대(傳導帶; conduction band)의 바닥보다 아래로 된 곳에서, 전자가 터널할 수 없게 되어 전류가 감소하므로, 도 2에 나타낸 바와 같은 전류 전압 특성으로 된다. 전류가 감소하는 미분(微分) 마이너스성 저항 특성 "-GRTD"를 사용함으로써, 전자파를 증폭·발진시킬 수 있다. 또한, 공명 터널 다이오드(1)는 미분 마이너스성 저항 -GRTD와 병렬로 기생(寄生) 용량 CRTD를 가지고 있다. 슬롯 안테나(2)는 LC의 공진(共振) 회로와 방사 손실 Gant로 표현되므로, 이 발진기의 등가(等價) 회로는 도 3에 나타낸 등가 회로로 된다. 발진 개시 조건은, 하기 1에 나타낸 바와 같이, 미분 마이너스성 저항 특성의 플러스값 GRTD가 방사 손실 Gant 이상으로 되었을 때이며, 또한 하기 수식 2에 나타내는 주파수 fOSC로 발진한다.
[수식 1]
GRTD≥Gant
[수식 2]
Figure pct00001
수식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 테라헤르츠 발진기에서는, 주파수 fOSC는 모두 고정값으로 표현되므로, 주파수 fOSC를 가변할 수 없다. 그러므로, 주파수 가변의 테라헤르츠 발진기의 개발이 요구되고 있다.
일본 공개특허 제2013-171966호 공보 일본 공개특허 제2006-210585호 공보
또한, 일본 공개특허 제2006-210585호 공보(특허 문헌 2)에 나타낸 바와 같이, 초전도층과 절연층과의 고유 조지프슨(Josephson) 접합을 사용한 테라헤르츠 발진기가 제안되어 있고, 이 초과 전도(傳導) 소자를 사용한 발진기에서는 주파수의 가변이 가능하다. 그러나, 특허 문헌 2의 테라헤르츠 발진기에서는 극저온에서만 동작이 한정되어, 주파수의 변화도 연속이 아닌 등의 문제가 있다. 또한, 초전도층을 극저온으로 유지하고, 관리하지 않으면 안되는 문제가 있고, 실온에서, 또한 연속하여 주파수가 가변 테라헤르츠 발진기의 출현이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은, 소형이며, 실온에 있어서도 연속하여 큰 주파수 소인폭(sweep width)을 가지는 주파수 가변 테라헤르츠 발진기 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은 주파수 가변 테라헤르츠 발진기에 관한 것이며, 본 발명의 상기 목적은, 슬롯 안테나가 배치되고, 상기 슬롯 안테나를 따라 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드가 병렬로 설치되고, 상기 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드에 각각 직류 전압을 인가하는 것에 의해, 또는 InP 기판 상에 공명 터널 다이오드를 구성하는 반도체 다층막(1)이 배치되고, 상기 반도체 다층막(1) 상에 버랙터 다이오드를 구성하는 반도체 다층막(2)이 배치되어 있고, 상기 반도체 다층막(1)과 상기 반도체 다층막(2)의 사이에, 고농도로 도프된 InP층이 배치됨으로써 달성된다.
본 발명은 주파수 가변 테라헤르츠 발진기에 관한 것이며, 본 발명의 상기 목적은, 슬롯 안테나가 배치되고, 상기 슬롯 안테나를 따라 AlAs/InGaAs의 2중 장벽형 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드가 병렬로 설치되고, 상기 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드의 각각에 상기 슬롯 안테나를 횡단하도록 급전(給電) 라인이 배치되어 MIM 커패시터가 형성되고, 상기 급전 라인에 의해, 상기 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드에 각각 직류 전압을 인가함으로써 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은, 상기 공명 터널 다이오드 측의 상부 전극 및 상기 MIM 커패시터의 사이에 n형 반도체의 저항체가 배치되는 것에 의해, 또는 상기 공명 터널 다이오드가, n+InGaAs(5×1019cm-3, 100nm)/spacer InGaAs(undoped, 12nm)/barrier AlAs(undoped, 0.9nm)/well InGaAs(undoped, 3nm)/barrier AlAs(undoped, 0.9nm)/spacer InAlGaAs(undoped, 2nm)/n-InAlGaAs(3×1018cm-3, 25nm)/n+InGaAs(5×1019cm-3, 400nm)의 각 층으로 구성되어 있는 것에 의해, 또는 상기 버랙터 다이오드가, p+InGaAs(1×1020cm-3, 100nm)/n-InGaAs(6×1016cm-3, 400nm)/n+InGaAs(5×1019cm-3, 100nm)의 3층으로 구성되어 있는 것에 의해, 또는 상기 MIM 커패시터가, 직류에 의해 개방되고, 테라헤르츠대(terahertz band)에서 단락(短絡)하도록 되어 있으므로, 또는 상기 버랙터 다이오드 및 상기 공명 터널 다이오드의 사이에, n＋InP에 의한 에칭 스토퍼층이 도입되어 있으므로, 보다 효과적으로 달성된다.
또한, 본 발명은 주파수 가변 테라헤르츠 발진기의 제조 방법에 관한 것이며, 본 발명의 상기 목적은, 버랙터 다이오드 전극을 증착시킨 후, 황산계의 에천트를 사용한 웨트 에칭에 의해, 버랙터 다이오드 메사를 형성하고, 버랙터 다이오드층의 아래에 있는 n＋InP층은 황산계 에천트에서는 에칭되지 않고, 상기 웨트 에칭은 자동적으로 상기 n＋InP층에서 멈추고, RTD 전극을 증착시킨 후에, 황산계 에천트에 의한 웨트 에칭에 의해 RTD 메사를 제작하고, 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 동시에, 슬롯 안테나를 형성하고 CVD법에 의해 SiO2를 전체면에 퇴적시키고, 컨택트 홀을 비우고, 또한 상기 상부 전극과 RTD, VD를 접속 처리함으로써 달성된다.
본 발명에 의하면, 2중 장벽형 공명 터널 다이오드(RTD) 및 버랙터 다이오드(VD)에 각각 직류 전압을 인가함으로써, 테라헤르츠 주파수대의 발진을 얻을 수 있다. 이 때, 버랙터 다이오드의 인가 전압을 변화함으로써, 발진 주파수를 넓은 주파수 범위에서 연속 소인하는 것이 가능하게 된다. 본 발명에서는 연속하여 주파수 가변을 행할 수 있고, 또한 상온(常溫)에서 동작하는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 테라헤르츠 주파수의 가변 범위가, 버랙터 다이오드의 도핑 농도에 의존하고, 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드의 메사 면적에 의존하고, 또한 슬롯 안테나 길이에 의존하고 있으므로, 용이하게 가변 범위를 조정할 수 있다.
버랙터 다이오드 도핑 농도 의존성에서는, 피크 전류 밀도 18mA/㎛2, 피크 밸리비(Peak to Valley Ratio) 2, 단위 면적당의 용량 6fF/㎛2, 면적 1㎛2의 공명 터널 다이오드, 길이 20㎛, 폭 4㎛의 슬롯 안테나 및 면적 16㎛2의 버랙터 다이오드를 사용했을 때, 주파수 가변 범위는 버랙터 다이오드의 도핑 농도가 6×1016cm-3시에 최대화되고, 이 때 가변 범위 170GHz가 얻어진다.
또한, 공명 터널 다이오드 메사 면적 의존성에서는, 피크 전류 밀도 18mA/㎛2, 피크 밸리비 2, 단위 면적당의 용량 6fF/㎛2의 공명 터널 다이오드, 길이 20㎛, 폭 4㎛의 슬롯 안테나 및 면적 16㎛2, 도핑 농도가 6×1016cm-3의 버랙터 다이오드를 사용했을 때, 주파수 가변 범위는 공명 터널 다이오드의 메사 면적이 1㎛2 이상의 시에 대략 최대화되고, 가변 범위 240GHz가 얻어진다.
가변 범위의 공명 터널 다이오드 면적 의존성에서는, 피크 전류 밀도 18mA/㎛2, 피크 밸리비 2, 단위 면적당의 용량 6fF/㎛2, 면적 1㎛2의 공명 터널 다이오드, 폭 4㎛의 슬롯 안테나 및 면적 16㎛2, 도핑 농도가 6×1016cm-3의 버랙터 다이오드를 사용했을 때, 가변 범위의 중심 주파수는 안테나의 길이가 짧아짐에 따라 고주파화하여, 안테나 길이 30㎛일 때 중심 주파수 460GHz(가변 범위 240GHz), 안테나 길이 20㎛일 때 중심 주파수 560GHz(가변 범위 240GHz), 안테나 길이 15㎛일 때 중심 주파수 960GHz(가변 범위 120GHz)로 된다.
따라서, 본 발명에 관한 주파수 가변 테라헤르츠 발진기에 의하면, 300GHz∼3THz의 테라헤르츠 주파수 대역에 있어서, 외부 광원이나 간섭계를 사용하지 않고, 또한 냉각이 불필요하며, 다양한 유기 분자의 테라헤르츠 특유의 흡수 스펙트럼을 간단하고 용이하게 측정할 수 있는 발진기를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 RTD를 사용한 테라헤르츠 발진기의 일례를 나타낸 사시 구조도이다.
도 2는 RTD의 특성예를 나타낸 특성도이다.
도 3은 종래의 RTD를 사용한 테라헤르츠 발진기의 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 구성예를 나타낸 사시도 및 상세 도면이다.
도 5는 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 단면(斷面) 구조도이다.
도 6은 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 등가 회로도이다.
도 7은 버랙터 다이오드의 층 구조의 일례를 나타낸 단면도(斷面圖)이다.
도 8은 도 7의 등가 회로도이다.
도 9는 버랙터 집적 RTD 발진기의 층 구조의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 10은 바이어스 전압에 대한 강도의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 11은 바이어스 전압에 대한 발진 주파수의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 12는 발진 주파수와 출력 전력과의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 13은 버랙터 다이에 대한 바이어스 전압에 대한 발진 주파수의 변화예를 나타낸 특성도이다.
도 14는 안테나 길이 고정이며, RTD 메사 면적의 의존성을 나타낸 특성도이다.
도 15는 RTD 메사 면적 고정이며, 주파수 소인 범위의 특성을 나타낸 특성도이다.
도 16은 버랙터 메사 면적의 의존성을 설명하기 위한 특성도이다.
도 17은 발진 주파수에 대한 출력의 변화예를 나타낸 특성도이다.
도 18은 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 제작 프로세스의 일부를 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 19는 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 제작 프로세스의 일부를 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 20은 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 제작 프로세스의 일부를 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 21은 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 제작 프로세스의 일부를 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 22는 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 다른 구성예를 나타낸 평면도이다.
도 23은 본 발명의 응용예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서는, 2중 장벽형 공명 터널 다이오드(RTD)를 사용한 테라헤르츠 발진기에, 인가 전압에 의해 용량을 가변할 수 있는 버랙터 다이오드(VD)를 집적하고, 실온에 있어서, 발진 주파수의 대폭 소인을 가능하게 하는 테라헤르츠 발진기 구조를 제안한다. 종래 테라헤르츠 주파수대에서의 고체의 발진기에는, 물질 고유의 흡수 스펙트럼 측정에 사용할 수 있는, 대폭적인 주파수 가변성을 가지는 실온 발진기는 존재하지 않았다.
실온(예를 들면 0∼30℃ 정도)에 있어서, 500GHz 이상의 발진이 가능한 고체 전자 디바이스는 공명 터널 다이오드 밖에 없고, 본 발명에서는, 슬롯 안테나를 집적한 공명 터널 다이오드 테라헤르츠 발진기에, 용량 가변의 버랙터 다이오드를 더 집적함으로써, 테라헤르츠 주파수대에서의 주파수 가변을 실현하고 있다. 버랙터 다이오드의 도핑 농도, 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드의 각 메사 면적, 슬롯 안테나의 길이를 조절함으로써 대폭적인 주파수 소인을 가능하게 하고 있다. 또한, 테라헤르츠대와 같은 매우 높은 주파수대로 되면, 1∼10 밀리미터의 전파보다 더 파장이 짧아져, 버랙터 다이오드의 메사 사이즈에 가까워지기 때문에, 버랙터 다이오드의 임피던스는 단순한 저항과 커패시터로 표현되지 않아, 저항과 인덕터 및 커패시터가 복잡하게 접속된 분포 상수적인 특성으로 된다. 그러므로, 실험을 정확하게 시뮬레이션하기 위해서는, 전자계 시뮬레이터에 버랙터 다이오드의 메사의 모델을 상세하게 내장함으로써, 테라헤르츠대에서의 분포 상수 목표 특성을 고려한 버랙터 다이오드의 용량 가변 특성을 포함하여 계산하는 것을 필요로 한다.
본 발명에서는, 전극 내의 대략 중앙부에 슬롯 안테나를 배치하고, 슬롯 안테나 중에, 공명 터널 다이오드 메사와 버랙터 다이오드 메사가 병렬로(대향하여 또는 같은 방향으로) 집적되어 있는 테라헤르츠 발진기를 구성한다. 버랙터 다이에 대한 인가 전압에 의해 용량이 변화되므로, 발진 주파수의 변화가 가능해진다. 버랙터 다이오드의 용량 변화는, 전자계 시뮬레이터에 버랙터 다이오드의 상세한 모델을 내장함으로써, 분포 상수적인 임피던스의 변화를 계산할 수 있다(등가 회로에서는 주파수 가변의 원리를 알기 쉽게 간단하게 나타내기 위해, 버랙터 다이오드는 단순화한 저항과 용량만의 모델로 나타내고 있다).
본 발명에서는, 슬롯 안테나가 배치되고, 슬롯 안테나를 따라 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드가 병렬로 설치되고, 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드에 각각 직류 전압을 인가함으로써 테라헤르츠 주파수대에서 발진한다. 또한, InP 기판 상에 공명 터널 다이오드를 구성하는 반도체 다층막(1)이 배치되고, 반도체 다층막(1) 상에 버랙터 다이오드를 구성하는 반도체 다층막(2)이 배치되어 있고, 반도체 다층막(1)과 반도체 다층막(2)의 사이에, 고농도로 도프된 InP층이 배치되어 있다.
테라헤르츠 발진 주파수의 가변 범위(소인 범위)는 버랙터 다이오드의 도핑 농도에 따라 변화되고, 가변 범위를 최대화하는 도핑 농도가 존재한다. 또한, 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드에 있어서도 각 주파수 가변 범위를 최대화하는 메사 면적이 존재하고, 또한 슬롯 안테나의 길이를 짧게 하는 것에 의해, 주파수 가변의 중심 주파수를 고주파 측으로 시프트시키는 것이 가능해진다. 슬롯 안테나의 길이를 변경하는 것에 의해, 발진 주파수를 가변할 수 있다.
이하에, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 사시도이며, 도 5의 (A)는 평면도, 도 5의 (B)는 도 5의 (A)의 X1-X1 단면 구조도이며, 도 5의 (C)는 도 5의 (A)의 X2-X2 단면 구조도이다.
대략 중앙부에 긴 형상의 슬롯 안테나(20)가 배치되고, AlAs/InGaAs의 2중 장벽 RTD(공명 터널 다이오드)(10)와 버랙터 다이오드(VD)(40)가 병렬로 슬롯 안테나(20)를 따라 배치되어 있다. RTD(10)는 위에서 아래로, n+InGaAs(5×1019cm-3, 100nm)/spacer InGaAs(undoped, 12nm)/barrier AlAs(undoped, 0.9nm)/well InGaAs(undoped, 3nm)/barrier AlAs(undoped, 0.9nm)/spacer InAlGaAs(undoped, 2nm)/n-InAlGaAs(3×1018cm-3, 25nm)/n+InGaAs(5×1019cm-3, 400nm)의 각 층으로 구성되도록 한 2중 장벽 구조를 사용하고 있다. RTD(10)의 피크 전류 밀도는 18mA/㎛2, 피크 밸리비는 2이다.
또한, 버랙터 다이오드(40)는 위에서 아래로, p+InGaAs(1×1020cm-3, 100nm)/n-InGaAs(6×1016cm-3, 400 nm)/n+InGaAs(5×1019cm-3, 100nm)의 3층으로 구성되며, 역방향 전압(p＋InGaAs에 대하여 n＋InGaAs의 포텐셜이 하강하는 방향)을 인가하면, 한가운데의 n-InGaAs에 공핍층(空乏層)이 넓어져, 전압에 의한 용량 가변이 가능하다. 전술까지의 버랙터 다이오드(40)의 도핑 농도는, 이 n-InGaAs층을 가리킨다. p＋InGaAs의 도핑 농도가 높으므로, 공핍층은 n-InGaAs에만 넓어지지 않는다. RTD(10)의 면적은 1.1㎛2, 버랙터 다이오드(40)의 면적은 6㎛2, 슬롯 안테나(20)는 길이 20㎛, 폭 4㎛이다.
RTD(10)와 버랙터 다이오드(40)의 각각에 슬롯 안테나(20)를 가로지르는 것과 같은 급전 라인[상부 전극(32), (35)]을 배치하고, 직류에 의해 개방으로 되고, 고주파(THz)에 의해 단락하는 금속(Metal)/절연체(Insulation)/금속(Metal)(MIM) 커패시터를 형성하고 있다. 즉, RTD(10)에서는, 상부 전극(32)과 하부 전극과의 사이에 SiO2 등으로 이루어지는 절연체(33)를 설치하고, 버랙터 다이오드(40)에서는, 상부 전극(35)과 하부 전극과의 사이에 SiO2 등으로 이루어지는 절연체(34)를 설치하고, 이 구조에 의해, RTD(10)와 버랙터 다이오드(40)에 각각 직류 전압을 인가할 수 있고, 또한 테라헤르츠 주파수대에서는 MIM 커패시터가 단락하므로, 슬롯 안테나(20) 내에 전자계를 폐입(閉入)하여, 공진기를 형성하는 것을 할 수 있다. RTD(10)의 마이너스성 저항과 외부 전원 회로에 의한 기생 발진을 억제하기 위해, RTD(10) 측의 상부 전극(32)과 MIM 커패시터의 사이에 n형 반도체로 만든 저항체(33A)를 배치하고 있다. 외부의 전원 회로로부터 보면, 이 저항체(33A)는 RTD(10)와 병렬로 접속되어 있고, 마이너스성 저항이 지워져 외부 회로로부터는 마이너스성 저항이 보이지 않으므로, 외부 회로에 의한 불필요한 기생 발진을 억제할 수 있다.
본 발명의 테라헤르츠 발진기의 등가 회로는, 바이어스 등을 무시하여 도 6에 나타낸 바와 같이 된다. 버랙터 다이오드(40)는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 가변 용량 Cv와 가변의 직렬 저항 Rv로 표현된다. 전압을 걸면 공핍층이 넓어지므로, 가변 용량 Cv는 작아진다. 직렬 저항 Rv는 공핍층이 되지 않고 남은 n-InGaAs층의 저항이며, 전압을 걸면 감소한다. 이 직렬 접속의 직렬 저항 Rv와 가변 용량 Cv는 도 8에 나타낸 바와 같이, 컨덕턴스 Gv와 커패시턴스 Cv의 병렬 접속으로 변환할 수 있다. 이 때의 어드미턴스(admittance)(Y)는 수식 3의 중변(中邊)과 같이 표현된다.
또한, 발진 주파수대에 있어서는 분모의 "ωCvRv"가 작으므로, 우측 변과 같이 간단해진다. 이 때, 도 8의 병렬 접속된 등가 회로에서는, 컨덕턴스 Gv는 수식 4와 같이 표현된다. RTD(10)의 미분 마이너스성 컨덕턴스 GRTD가 안테나 손실 Gant와 버랙터 다이오드(40)의 저항분에 의한 손실 Gv의 합계를 지우는 것에 의해 발진하고, 회로 전체의 어드미턴스(Y)가 0로 되는 점에서 발진 주파수 fOSC가 결정된다. 발진 주파수 fOSC는, 안테나(20)의 인덕턴스를 Lant, 안테나의 용량을 Cant, RTD(10)의 용량을 CRTD, 버랙터 다이오드(40)의 용량을 Cv라고 하면, 발진 개시 조건을 하기 수식 5로 하고, 발진 주파수 fOSC는 하기 수식 6으로 표현된다.
[수식 3]
Figure pct00002
[수식 4]
Figure pct00003
[수식 5]
GRTD≥Gant＋Gv
[수식 6]
Figure pct00004
도 7에 나타낸 바와 같이, 버랙터 다이오드(40)에 대한 바이어스 전압의 변화에 의해 공핍층 용량 Cv가 변화하므로, 발진 주파수 fOSC도 가변이다. 일반적으로 도프(dope) 농도가 저하되면 내전압(耐電壓)은 상승하여 용량 가변 폭이 커지게 되지만, 저도프 농도에서는 저항 Rv가 커지므로, 컨덕턴스 Gv가 커져, 수식 5의 발진 개시 조건을 만족시키기 어려워진다. 그러므로, 도프 농도에는 최적값이 존재한다.
도 9에 버랙터 집적 RTD 발진기의 층 구조의 예를 나타낸다. 버랙터 다이오드(40)는 위에서 아래로, p+InGaAs(1×1020cm-3, 100nm)/n-InGaAs(6×1016cm-3, 400nm)/n+InGaAs(5×1019cm-3, 100nm)의 3층으로 구성되며, 역방향 전압(p＋InGaAs에 대하여 n＋InGaAs의 포텐셜이 내리는 방향)을 인가하면, 한가운데의 n-InGaAs에 공핍층이 넓어져, 전압에 의한 용량 가변이 가능하다. p＋InGaAs의 도핑 농도가 높으므로, 공핍층은 n-InGaAs에만 넓어지지 않는다. 또한, RTD(10)는 위에서 아래로, n+InGaAs(5×1019cm-3, 100nm)/spacer InGaAs(undoped, 12nm)/barrier AlAs(undoped, 0.9nm)/well InGaAs(undoped, 3nm)/barrier AlAs(undoped, 0.9nm)/spacer InAlGaAs(undoped, 2nm)/n-InAlGaAs(3×1018cm-3, 25nm)/n+ InGaAs(5×1019cm-3, 400nm)의 각 층으로 구성되도록 한 2중 장벽 구조를 사용하고 있다. RTD(10)의 피크 전류 밀도는 18mA/㎛2, 피크 밸리비는 2이다.
발진 스펙트럼의 버랙터 다이오드 전압에 대한 변화를 나타내면 도 10에 나타낸 바와 같이 되고, 발진 주파수의 버랙터 다이오드 전압 의존성을 나타내면 도 11로 된다. RTD(10)로의 전압 인가를 약 1V로 고정하고, 바이어스 전압을 0.5V로부터 -4.0V로 변경함으로써, 도 10 및 도 11로부터 알 수 있는 바와 같이 620GHz에서 690GHz까지의 70GHz의 소인폭이 얻어지고, 버랙터 면적 6㎛2에서는 이론값과 거의 일치하고 있다. RTD(10)의 면적은 1.1㎛2이다. 면적이 큰 16㎛2 버랙터 다이오드를 사용함으로써 소인폭의 확대를 실현할 수 있다. 또한, 도 12는 발진 주파수와 출력 전력과의 관계를 나타내고, 발진 주파수가 높아짐에 따라 출력 전력도 커진다.
다음에, 버랙터 도핑 농도 의존성에 대하여 설명한다.
도 13은 버랙터 다이에 대한 바이어스 전압에 대한 발진 주파수의 변화예를 나타내고, 바이어스 전압에 대하여 주파수가 변화하는 동시에, 도핑 농도에 의해서도 변화한다. 도핑 농도(cm-3)에 대한 내전압(V), 최대 공핍층 두께(㎚)는 하기 표 1에 나타낸 바와 같으며, 도전율(導電率)(S/m), 최대 저항값(Ω㎛) 및 주파수 소인 범위(GHz)는 표 2와 같다.
Figure pct00005
Figure pct00006
도 14는 RTD 메사 면적의 의존성을 나타낸 특성도이며, RTD 메사 면적의 크기에 따라 발진 주파수가 가변으로 되어 있다. RTD 메사 면적이 작으면 고주파로부터 발진 가능하지만, 미분 마이너스성 컨덕턴스가 작으므로, 주파수 소인 범위는 좁아진다. 한편, RTD 메사 면적이 클 때는 RTD 용량이 크므로, 최대 발진 주파수가 작다. 그러므로, 최대 발진 주파수와 하한 주파수의 차이인 주파수 소인 범위가 최대로 되는 RTD 메사 면적이 존재한다. 안테나 길이 20㎛, 버랙터 메사 면적 16㎛2의 RTD 발진기가 취할 수 있는 최대의 소인 범위는, RTD 메사 면적이 1.3㎛2일 때, 500GHz에서 740GHz까지의 240GHz이다.
도 15는 안테나 길이에 대한 주파수 소인 범위의 RTD 면적 의존성을 나타내는 특성도이며, 안테나 길이에 따라 주파수대가 변화하지만, 변화폭에 큰 차이는 없다. 안테나 길이를 짧게 함으로써, 슬롯 안테나(20)의 인덕턴스 Lant, 커패시턴스 Cant를 삭감할 수 있으므로, 높은 주파수에서의 발진이 가능하게 되지만, 하한 주파수도 동시에 상승한다. 한편 안테나 길이가 길어지면 인덕턴스 Lant 및 커패시턴스 Cant가 증가하므로, 최대 발진 주파수가 저하되지만, 하한 주파수도 동시에 감소한다. 또한, 안테나 길이가 짧을수록 발진 가능한 RTD 메사 면적은 크게 되어 있지만, 이것은 안테나의 길이의 단축에 의해 안테나의 손실이 증가하므로, 발진 조건을 만족시키기 위해 큰 미분 마이너스성 컨덕턴스가 필요해지기 때문이다.
도 14 및 도 15는 같은 형식의 특성도이지만, 안테나 길이의 상위에 따라 가변 범위의 중심 주파수가 상위하도록 되어 있다. 도 15는, 메사 면적을 1.1㎛2로 고정시켰을 때, 가변 범위가 어떻게 변화할 것인지를 나타내고 있다. 따라서, 특성의 형식은 같지만, 도 14는 안테나 고정이며, 메사 면적을 바꾸었을 때의 특성을 나타내고, 도 15는 메사 고정이며, 안테나 길이를 바꾸었을 때의 특성을 나타내고 있다.
또한, 도 16은 버랙터 메사 면적 의존성을 나타내고, 버랙터 메사 면적의 축소에 의해 고주파에서의 가변 폭이 증가하고 있다. 버랙터 용량의 가변 폭이 면적에 의해 스케일링(scaling)되므로, 주파수 소인 범위가 변화한다. 버랙터 메사 면적 축소에 의해 버랙터 용량이 감소하므로, 높은 주파수로 발진 가능하지만, 용량의 최대값이 작아지므로, 하한 주파수도 동시에 상승한다. 한편, 버랙터 메사 면적이 크면 버랙터 용량이 증가하고, 최대 발진 주파수는 저하되지만, 용량의 최대값이 커지므로, 저주파까지 발진 가능하다.
고주파에서의 주파수 소인에는 RTD 메사 면적을 작게, 안테나 길이를 짧게, 버랙터 메사 면적을 작게 하면 된다. 저주파에서의 주파수 소인에는 RTD 메사 면적을 크게, 안테나 길이를 길게, 버랙터 메사 면적을 크게 하면 된다.
도 17은 발진 주파수에 대한 출력의 변화예를 나타내고, 안테나 길이가 길고 RTD 메사 면적이 넓어짐에 따라 출력은 증가한다. 안테나 길이, RTD 메사 면적, 버랙터 면적이 상이한 복수의 발진기를 1칩에 집적하고, 각각을 독립적으로 동작시킴으로써, 큰 주파수 소인폭을 가지는 발진기가 얻어진다. 안테나 길이가 길수록 방사 컨덕턴스가 크기 때문에, 출력이 크다. 안테나 길이가 같은 경우에는, 메사 면적이 클수록 미분 마이너스성 컨덕턴스가 크므로, 출력이 크다. RTD 메사 면적, 안테나 길이, 버랙터 메사 면적이 상이한 발진기를 1칩에 집적하고, 각각을 별개의 바이어스로 동작시킴으로써, 큰 주파수 소인 범위가 얻어진다. 예를 들면, 5개의 발진기를 집적함으로써, 100GHz에서 1.2THz까지의 900GHz의 주파수 소인이 가능하다.
도 18∼도 21은 본 발명에 관한 테라헤르츠 발진기의 제작 프로세스를 나타내고, 먼저 도 18의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 버랙터 다이오드 전극을 증착시킨 후, 황산계의 에천트를 사용한 웨트 에칭에 의해, 버랙터 다이오드 메사를 형성한다. 버랙터 다이오드층의 아래에 있는 n＋InP층은 황산계 에천트에서는 에칭되지 않기 때문에, 웨트 에칭은 자동적으로 이 층에서 멈추고 제작을 용이하게 할 수 있다.
다음에 도 19의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, RTD 전극을 증착시킨 후에, 황산계 에천트에 의한 웨트 에칭에 의해 RTD 메사를 제작한다. 그 후, 도 20의 (A)에 나타낸 바와 같이, 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 동시에, 슬롯 안테나를 형성하고, 다음에, CVD법에 의해 SiO2를 전체면에 퇴적된다. SiO2는 도 20의 (B)에 나타낸 바와 같이, 상부 전극, 하부 전극, RTD, VD 및 n＋InGaAS를 사용한 저항체로 되는 부분만을 남겨 제거하고, 그것을 마스크로 하여, 아래에 남아 있는 n＋InGaAs층을 에칭하는 소자 분리 프로세스를 행한다. 이로써, 도 20의 (C)에 나타낸 구성을 얻을 수 있다. 도 20의 (C)의 좌측은 RTD 부분의 단면도며, 도 20의 (C)의 우측은 VD 부분의 단면도이다. RTD 부분의 단면도에 있어서, 상부 전극과 하부 전극의 사이에 있는 n＋InGaAS층이 RTD와 병렬로 접속되는 저항체로 되어 있다.
그 후, 도 21의 (A)에 나타낸 바와 같이, RTD, VD의 머리 정상부(頂部) 및 상부 전극, 하부 전극의 전극 패드로 되는 부분에 컨택트 홀을 비우고, 또한 도 21의 (B)에 나타낸 바와 같이, 상부 전극과 RTD, VD를 접속 처리함으로써 도 21의 (C)에 나타낸 완성품을 얻을 수 있다. 도 21의 (C)의 좌측은 RTD 부분의 단면도이며, 도 21의 (C)의 우측은 VD 부분의 단면도이다.
그리고, 전술한 실시형태에서는, RTD와 VD를 대향시키도록 배치하고 있지만, 도 22에 나타낸 바와 같이, 같은 방향으로 병렬적으로 배치해도 된다.
그리고, 본 발명은 전술한 발명을 실시하기 위한 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 그 외에 각종 구성을 채용할 수 있는 것은 물론이다.
본 발명의 대폭 주파수 가변이 가능한 미세 디바이스를 이용하면, 테라헤르츠 주파수대에 존재하는 물질의 흡수 스펙트럼을 측정하는 컴팩트한 칩이 실현 가능해지고, 화학·의료 분야의 한층 더 발전을 촉진시킬 수 있을 것으로 생각된다. 도 23은, 본 발명을 분광 분석 칩으로서 이용하는 경우의 예를 나타내고, 유전체막 상에 놓여진 대상 용액에 대하여, 주파수 소인 가능한 테라헤르츠 발진기로부터 THz를 조사하고, 그 투과 출력을 THz 검출기에 의해 검출함으로써, 용액의 분광 분석을 행할 수 있다.
1: 공명 터널 다이오드(RTD)
2: 슬롯 안테나
3: 기판
4: 하부 전극
5: 상부 전극
10: 공명 터널 다이오드(RTD)
20: 슬롯 안테나
40: 버랙터 다이오드(VD)

Claims (9)

  1. 슬롯 안테나가 배치되고, 상기 슬롯 안테나를 따라 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드가 병렬로 설치되고, 상기 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드에 각각 직류 전압을 인가함으로써 테라헤르츠 주파수대에서 발진하는,
    주파수 가변 테라헤르츠 발진기.
  2. InP 기판 상에 공명 터널 다이오드를 구성하는 반도체 다층막(1)이 배치되고, 상기 반도체 다층막(1) 상에 버랙터 다이오드를 구성하는 반도체 다층막(2)이 배치되어 있고, 상기 반도체 다층막(1)과 상기 반도체 다층막(2) 사이에, 고농도로 도프된 InP층이 배치된,
    주파수 가변 테라헤르츠 발진기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    슬롯 안테나가 배치되고, 상기 슬롯 안테나를 따라 AlAs/InGaAs의 2중 장벽형 공명 터널 다이오드 및 버랙터 다이오드가 병렬로 설치되고,
    상기 공명 터널 다이오드 및 상기 버랙터 다이오드의 각각에 상기 슬롯 안테나를 횡단하도록 급전 라인이 배치되어 MIM 커패시터가 형성되고,
    상기 급전 라인에 의해, 상기 공명 터널 다이오드 및 상기 버랙터 다이오드에 각각 직류 전압을 인가함으로써 테라헤르츠 주파수대에서 발진하도록 되어 있는, 주파수 가변 테라헤르츠 발진기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공명 터널 다이오드 측의 상부 전극 및 상기 MIM 커패시터 사이에 n형 반도체의 저항체가 배치되어 있는, 주파수 가변 테라헤르츠 발진기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공명 터널 다이오드가, n+InGaAs(5×1019cm-3, 100nm)/spacer InGaAs(undoped, 12nm)/barrier AlAs(undoped, 0.9nm)/well InGaAs(undoped, 3nm)/barrier AlAs(undoped, 0.9nm)/spacer InAlGaAs(undoped, 2nm)/n-InAlGaAs(3×1018cm-3, 25nm)/n+InGaAs(5×1019cm-3, 400nm)의 각 층으로 구성되어 있는, 주파수 가변 테라헤르츠 발진기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드가, p+InGaAs(1×1020cm-3, 100nm)/n-InGaAs(6×1016cm-3, 400nm)/n+InGaAs(5×1019cm-3, 100nm)의 3층으로 구성되어 있는, 주파수 가변 테라헤르츠 발진기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MIM 커패시터가, 직류에 의해 개방되고, 테라헤르츠대에서 단락하도록 되어 있는, 주파수 가변 테라헤르츠 발진기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드 및 상기 공명 터널 다이오드 사이에, n＋InP에 의한 에칭 스토퍼층이 도입되어 있는, 주파수 가변 테라헤르츠 발진기.
  9. 버랙터 다이오드 전극을 증착시킨 후, 황산계의 에천트를 사용한 웨트 에칭에 의해, 버랙터 다이오드 메사를 형성하는 단계;
    상기 버랙터 다이오드층의 아래에 있는 n＋InP층은 상기 황산계 에천트에서는 에칭되지 않고, 상기 웨트 에칭은 자동적으로 상기 n＋InP층에서 멈추는 단계;
    RTD 전극을 증착시킨 후에, 상기 황산계 에천트에 의한 웨트 에칭에 의해 상기 RTD 메사를 제작하는 단계;
    상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 동시에, 슬롯 안테나를 형성하는 단계; 및
    CVD법에 의해 SiO2를 전체면에 퇴적시키고, 컨택트 홀을 비우고, 또한 상기 상부 전극과 RTD, VD를 접속 처리하는 단계;
    를 포함하는 주파수 가변 테라헤르츠 발진기의 제조 방법.
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