KR20170080010A - 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소스/드레인 및 게이트 자체의 형상만으로 비대칭 특성을 나타내어 높은 감도를 구현할 수 있으며, 추가적으로 게이트를 안테나로 활용하여 제조가 편리한 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터에 있어서, 실리콘 베이스; 실리콘 베이스 일부에 도핑에 의하여 형성되는 소스; 평면 상으로 상기 소스를 감싸는 형태로 형성되는 채널; 상기 채널 외부에 형성되는 드레인; 상기 소스, 채널 및 드레인 상단에 형성되는 유전층; 및 상기 유전층 상단에 위치하는 게이트;를 포함하여 구성되되, 평면상으로 상기 소스의 중심과 상기 채널의 중심은 일정 거리 이격되어 형성되고, 상기 게이트는 메탈 재질로 상기 채널 상단에 위치하며 상기 채널의 상면을 모두 덮고, 소스의 일부와 드레인의 일부와 오버랩되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터에 있어서, 실리콘 베이스; 실리콘 베이스 일부에 도핑에 의하여 형성되는 소스; 평면 상으로 상기 소스를 감싸는 형태로 형성되는 채널; 상기 채널 외부에 형성되는 드레인; 상기 소스, 채널 및 드레인 상단에 형성되는 유전층; 및 상기 유전층 상단에 위치하는 게이트;를 포함하여 구성되되, 평면상으로 상기 소스의 중심과 상기 채널의 중심은 일정 거리 이격되어 형성되고, 상기 게이트는 메탈 재질로 상기 채널 상단에 위치하며 상기 채널의 상면을 모두 덮고, 소스의 일부와 드레인의 일부와 오버랩되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비대칭 효과가 극대화되는 게이트 메탈을 안테나로 활용하는 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터에 관한 것이다.
테라헤르츠 검출기에서 감도 증가를 위해서는 게이트 전계효과에 의해 채널의 전하를 2차원 형태로 잘 모아야 하는데, 기존의 화합물 반도체가 실리콘보다 2차원 채널 전하를 형성하는 효율이 높아 주로 사용되어 왔지만, 화합물 반도체는 실리콘보다 고가 공정으로 제조되고, 모양을 만드는 식각 공정이 용이하지 않아 다양한 비대칭 구조를 만드는 것이 어려운 문제가 있으며, 또한 화합물 반도체의 사용 시 주변 부품인 안테나와 증폭기를 집적하기가 힘들어 상용화에도 다소 어려운 단점이 있다.
따라서, 근래에는 실리콘에서도 안테나와 증폭기의 성능 향상으로 실리콘 FET 기반 검출기의 성능이 향상된 경우가 보고되어 왔으나, 기본적으로 저출력인 실리콘 FET의 특성으로 인해 주변부품의 성능 개선만으로는 테라헤르츠 검출기의 반응도 개선에 한계가 있다.
일반적으로 전계효과트랜지스터(FET) 기반 테라헤르츠(THz) 검출기의 경우, FET의 3개 외부 연결 단자 (게이트 G, 소스 S, 드레인 D) 중 2 개 단자(G, S) 사이에 교류 신호인 THz파 신호를 집광시켜, 소스와 드레인 사이의 하부 반도체 채널 영역의 전하량의 비대칭성을 유도하고, 이러한 비대칭적 전하분포에 의한 출력단자(드레인 D)의 직류 전압으로 광반응성(Photoresponse)을 검출하는 것에 따라 신호를 검출한다.
상기와 같이, FET 기반 THz 검출기의 반응도 향상을 위해 요구되는 전하량 비대칭성을 확보하기 위해서 THz파 입사를 위한 안테나의 효율을 높이고 출력 단자(D)의 전압을 증폭하는 증폭기의 이득을 높이는 방식이 있지만, 상기와 같은 방식을 사용하여도 기본적으로 대칭 구조인 FET에서의 출력전압은 잡음에 민감하여 반응도 향상 수준이 극히 미미하다는 한계가 있다.
이와 같은 FET를 실리콘 공정의 장점인 자기정렬형 게이트 구조(self-aligned gate structure)로 제작하는 경우에도, 게이트가 이미 형성된 후에 소스/드레인 영역을 비대칭으로 만들어야 하고, 게이트와 중첩되는 소스/드레인 영역을 어느 한쪽만 변화시키기 위해 주로 초미세 고성능 소자 목적의 오버랩(overlap)을 위한 이온주입 공정 등 복잡한 추가 마스크 공정이 필요하게 될 뿐만 아니라, 그러한 비대칭성을 위해 주입된 이온의 등방성 확산으로 인해, THz파가 입사하는 단자인 게이트가 바라보는 소스/드레인 비대칭 비율이 줄어들어 전하 비대칭 효과가 크지 않게 된다.
또한, 고전압 전력소자 목적의 언더랩(underlap)을 위한 게이트 측벽 공정(게이트가 하부 채널과 겹침)도 측벽 두께 조절을 통해 효과적으로 비대칭 효과를 제어할 수 있지만, 언더랩 구조의 경우 이미 언더랩이 생긴 후의 게이트가 바라보는 비대칭 효과는 미미하고, 소자의 저항을 증가시켜 잡음 등가 전력이 증가하는 문제가 있다.
이와 같이 기존의 실리콘 기술 기반 FET 공정의 주 방식인 자기정렬형(Self-aligned) 게이트 구조를 사용하여 비대칭 소스/드레인 영역을 만들 수 있다고 하더라도 결과적으로 THz파가 입사하는 단자인 게이트가 바라보는 소스/드레인 비대칭 영역은 변화가 없거나 그 영향이 극히 적어, 소스와 드레인 사이의 전하 비대칭 효과가 매우 줄어들게 된다. 따라서, 실리콘 기반 FET의 소스/드레인 사이의 채널 영역을 비대칭 구조로 가져가면서 동시에 게이트가 바라보는 소스/드레인 영역도 비대칭이 되는 구조를 효과적으로 만들기 위해서는 기존 자기정렬 방식과는 다른 추가적인 방안이 요구되어, 비대칭 효과를 효과를 극대화할 수 있는 테라헤르츠 검출기의 구성이 공개특허 제2013-0133368호에 개시되어 있다.
상기 특허는 소스/드레인 영역을 비대칭 형태로 구성하여 검출기의 감도를 증가시키는 점에서 우수한 특성을 나타내나, 소스/드레인 및 게이트 형상이 사각형을 베이스로 하여 비대칭 특성을 나타내기 위해서는 별도의 공정이 필요한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 소스/드레인 및 게이트 자체의 형상만으로 비대칭 특성을 나타내어 높은 감도를 구현할 수 있으며, 추가적으로 게이트를 안테나로 활용하여 제조가 편리한 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터에 있어서, 실리콘 베이스; 실리콘 베이스 일부에 도핑에 의하여 형성되는 소스; 평면 상으로 상기 소스를 감싸는 형태로 형성되는 채널; 상기 채널 외부에 형성되는 드레인; 상기 소스, 채널 및 드레인 상단에 형성되는 유전층; 및 상기 유전층 상단에 위치하는 게이트;를 포함하여 구성되되, 평면상으로 상기 소스의 중심과 상기 채널의 중심은 일정 거리 이격되어 형성되고, 상기 게이트는 메탈 재질로 상기 채널 상단에 위치하며 상기 채널의 상면을 모두 덮고, 소스의 일부와 드레인의 일부와 오버랩되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 소스는 원형이고, 상기 채널은 환형으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 게이트는 상기 채널과 동일한 형상으로 구성되며, 소스와 동일 폭으로 오버랩되고, 드레인과 동일한 폭으로 오버랩되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 게이트와 소스가 오버랩되는 폭의 크기와 상기 게이트와 드레인이 오버랩되는 폭의 크기는 서로 다른 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 소스 상면에 위치하며, 상기 소스와 전기적으로 연결되는 소스메탈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 소스메탈은 원형으로 구성되며, 상기 게이트와는 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터는 소스를 채널이 감싸는 형상으로 구성하여 기하학적 형태에 의하여 비대칭 특성을 도출되고, 게이트와 채널 간, 게이트와 소스간의 겹침 정도를 조절하여 비대칭성을 추가적으로 부가할 수 있으며, 형상을 정의하는 각 파라미터를 자유롭게 설정할 수 있으며, 또한 메탈 재질의 게이트를 안테나로 활용할 수 있어, 별도의 안테나 구성이 필요치 않아 높은 집적도를 구현할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터의 단면도이며,
도 2는 도 1 중 소스, 채널 및 드레인을 나타낸 평면도이며,
도 3은 도 2에 게이트를 추가한 평면도이며,
도 4는 도 3에 소스메탈을 추가한 평면도이다.
도 2는 도 1 중 소스, 채널 및 드레인을 나타낸 평면도이며,
도 3은 도 2에 게이트를 추가한 평면도이며,
도 4는 도 3에 소스메탈을 추가한 평면도이다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터(FET, 10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 베이스(1)에 형성되는 소스(11), 드레인(12), 채널(13), 유전층(14), 게이트(15)를 포함하여 구성된다.
이때 상기 소스(11)와 드레인(12)은 각각 불순물이 도핑되고, 상기 유전층(14)의 재질은 통상의 FET에 적용되는 것들로 사용 가능하며, 상기 게이트(15)는 메탈로 구성하여 안테나 기능을 수행하도록 구성한다.
따라서, 테라헤르쯔 전자기파는 상기 게이트(13)에 인가되며, 이때 소스(11)와 드레인(12) 사이에 발생하는 전압에 의하여 인가된 테라헤르쯔 전자기파의 특성을 감지한다.
또한, 필요한 경우, 상기 소스(11) 상단에는 별도의 소스메탈(16)이 형성되며, 상기 소스메탈(16)은 전기적으로 상기 소스(11)에 연결되도록 구성할 수 있으나, 필수적인 구성은 아니다.
한편, FET(10)의 평면도는 도 2에 도시된 바와 같이, 원형의 소스(11)와 상기 소스(11)를 감싸는 채널(12)을 포함하여 구성된다.
상기 채널(12) 역시 원형으로 구성되나, 소스(11)의 중심과 채널(12)의 중심은 편심되어 있어, 비대칭성을 극대화한다.
따라서 상기 소스(11)는 고립되어 구성되며, 전극은 상기 소스(11)의 상면을 통하여 연결되도록 구성할 수 있으며, 필요한 경우에는 상기 소스(11)의 단면을 상기 베이스(1) 하면까지 연장 형성하여 하단을 통하여 전극이 연결될 수 있도록 구성할 수 있다.
상기 채널(12) 역시 원형으로 구성되나, 소스(11)의 중심과 채널(12)의 중심은 편심되어 있어, 비대칭성을 극대화한다.
이때, 소스(11)의 직경을 d1, 채널(13)의 직경을 d2, 소스(11)의 외경과 채널(13) 내경과의 가장 짧은 거리를 Lg, 소스(11)의 외경과 채널(13) 내경과의 가장 긴 거리를 L이라하면, d2는 d1과 Lg와 L을 합한 값과 동일하다.
즉, 본 발명에 따른 FET(10)는 L과 Lg를 달리 구성하는 것을 특징으로 하며, 상기와 같이 소스(11)와 채널(13)이 편심되어 구성되면, 소스(11)에서 드레인(12)으로 향하는 전하의 도달거리 차이가 Lg에서 L까지 변하는 구조를 가지므로, 게이트(15)와 소스(11)간의 전계가 강화되는 특성이 있다.
한편, 상기 게이트(15)는 도 3에 도시된 바와 같이, 채널(13)의 형상과 동일하게 형성하나, 소스(11) 영역과 오버랩 부분 e1, 그리고 드레인(12) 영역과 오버랩 부분 e2를 포함하여 구성된다.
이때 e1≠e2로 구성하는 것이 비대칭성을 높이는 장점이 있으나, 소스(11)와 드레인(12) 형상에 따른 비대칭성에 의해서 유사한 크기로 구성하더라도 전체적인 비대칭성에서 무리는 없다.
그러나 상기 e1과 e2는 0보다 크게 형성하는 것이 비대칭성을 증가시키는 장점이 있다.
상기와 같이 게이트(15)가 링형태로 구성되므로 테라헤르쯔파의 편파에 대한 등방위적 특성을 지닌 안테나로 활용될 수 있어, 종래 FET와 달리 별도의 안테나 구조가 필요치 않은 장점이 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 소스(11) 상단에 별도의 소스메탈(16)이 형성되는 경우, 소스메탈(16)과 게이트(15) 사이의 최소 간격(dm) 조절을 통하여 특성 임피던스 디자인이 가능하여 게이트(15) 하단에 위치하는 FET(10)와 임피던스 매칭이 가능하다.
이는 별도의 안테나 구조가 없으면서도 게이트(15) 자체가 안테나 효과를 기대할 수 있으며, 더불어 게이트(15)의 비대칭 구조는 게이트(15)와 소스메탈(16) 사이의 좁은 간격에 테라헤르쯔파를 집중시켜 FET(10) 내에 테라헤르쯔파의 비대칭 유입을 안내하는 효과가 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터(10)는 모두 실리콘 공정 기술로 이루어질 수 있으므로, 자체의 특성이 우수한 고가의 화합물 반도체와는 차별화되어, 추후 안테나와 증폭기 등 추가적인 성능 개선을 위한 주변 부품들과의 집적이 기술적으로 가능하고, 초고감도 Si FET 기반 대면적(large area) 다중 픽셀(multi-pixel) 배열형(array) 테라헤르쯔 검출기 집적이 저비용으로 가능하게 하는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
1: 실리콘 베이스 10: FET
11: 소스 12: 드레인
13: 채널 14: 유전층
15: 게이트 16: 소스메탈
11: 소스 12: 드레인
13: 채널 14: 유전층
15: 게이트 16: 소스메탈
Claims (6)
- 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터에 있어서,
실리콘 베이스;
실리콘 베이스 일부에 도핑에 의하여 형성되는 소스;
평면 상으로 상기 소스를 감싸는 형태로 형성되는 채널;
상기 채널 외부에 형성되는 드레인;
상기 소스, 채널 및 드레인 상단에 형성되는 유전층; 및
상기 유전층 상단에 위치하는 게이트;를 포함하여 구성되되,
평면상으로 상기 소스의 중심과 상기 채널의 중심은 일정 거리 이격되어 형성되고, 상기 게이트는 메탈 재질로 상기 채널 상단에 위치하며 상기 채널의 상면을 모두 덮고, 소스의 일부와 드레인의 일부와 오버랩되는 것을 특징으로 하는 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터.
- 청구항 1에 있어서, 상기 소스는 원형이고, 상기 채널은 환형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터.
- 청구항 2에 있어서, 상기 게이트는 상기 채널과 동일한 형상으로 구성되며, 소스와 동일 폭으로 오버랩되고, 드레인과 동일한 폭으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터.
- 청구항 3에 있어서, 상기 게이트와 소스가 오버랩되는 폭의 크기와 상기 게이트와 드레인이 오버랩되는 폭의 크기는 서로 다른 것을 특징으로 하는 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터.
- 청구항 4에 있어서, 상기 소스 상면에 위치하며, 상기 소스와 전기적으로 연결되는 소스메탈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터.
- 청구항 5에 있어서, 상기 소스메탈은 원형으로 구성되며, 상기 게이트와는 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터.
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| KR1020150191152A KR20170080010A (ko) | 2015-12-31 | 2015-12-31 | 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020150191152A KR20170080010A (ko) | 2015-12-31 | 2015-12-31 | 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170080010A true KR20170080010A (ko) | 2017-07-10 |
Family
ID=59355895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020150191152A KR20170080010A (ko) | 2015-12-31 | 2015-12-31 | 게이트 메탈을 안테나로 활용한 링 형의 테라헤르쯔파 검출용 전계효과트랜지스터 |
Country Status (1)
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102314944B1 (ko) * | 2020-09-07 | 2021-10-21 | 울산과학기술원 | 실리콘 링 전계효과트랜지스터 어레이에 의한 활성 안테나 장치 |
| CN114784128A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-07-22 | 国科大杭州高等研究院 | 一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑太赫兹光电探测器及其制备方法 |
| JP2023004844A (ja) * | 2021-06-24 | 2023-01-17 | ユニスト（ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー） | テラヘルツ波を検出するための性能因子が独立的な一体型電界効果トランジスタ－アンテナ融合素子 |
| KR20230051946A (ko) * | 2021-10-12 | 2023-04-19 | 울산과학기술원 | 트랜지스터-안테나 기반의 검출기 |
-
2015
- 2015-12-31 KR KR1020150191152A patent/KR20170080010A/ko active Search and Examination
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102314944B1 (ko) * | 2020-09-07 | 2021-10-21 | 울산과학기술원 | 실리콘 링 전계효과트랜지스터 어레이에 의한 활성 안테나 장치 |
| WO2022050816A1 (ko) * | 2020-09-07 | 2022-03-10 | 울산과학기술원 | 실리콘 링 전계효과트랜지스터 어레이에 의한 활성 안테나 장치 |
| JP2022550003A (ja) * | 2020-09-07 | 2022-11-30 | ユニスト（ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー） | シリコンリング電界効果トランジスタアレイによる活性アンテナ装置 |
| US11784249B2 (en) | 2020-09-07 | 2023-10-10 | Ulsan National Institute Of Science And Technology | Active antenna device based on silicon ring field effect transistor array |
| JP2023004844A (ja) * | 2021-06-24 | 2023-01-17 | ユニスト（ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー） | テラヘルツ波を検出するための性能因子が独立的な一体型電界効果トランジスタ－アンテナ融合素子 |
| KR20230051946A (ko) * | 2021-10-12 | 2023-04-19 | 울산과학기술원 | 트랜지스터-안테나 기반의 검출기 |
| CN114784128A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-07-22 | 国科大杭州高等研究院 | 一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑太赫兹光电探测器及其制备方法 |
| CN114784128B (zh) * | 2022-03-25 | 2024-04-02 | 国科大杭州高等研究院 | 一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑太赫兹光电探测器及其制备方法 |
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