KR20240046080A - THz transceiver with monolithic integration - Google Patents

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KR20240046080A
KR20240046080A KR1020230130609A KR20230130609A KR20240046080A KR 20240046080 A KR20240046080 A KR 20240046080A KR 1020230130609 A KR1020230130609 A KR 1020230130609A KR 20230130609 A KR20230130609 A KR 20230130609A KR 20240046080 A KR20240046080 A KR 20240046080A
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schottky barrier
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schottky
transceiver
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KR1020230130609A
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신준환
박경현
박동우
이의수
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 테라헤르츠 트랜시버에 관한 것으로, 기판상에 제작되는 건 다이오드; 및 기판상에 제작되는 쇼트키 장벽 다이오드를 포함하고, 건 다이오드와 쇼트키 장벽 다이오드는 동일한 에피 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a terahertz transceiver, comprising: a gun diode fabricated on a substrate; and a Schottky barrier diode manufactured on a substrate, wherein the Gunn diode and the Schottky barrier diode are formed with the same epi structure.

Figure P1020230130609
Figure P1020230130609

Description

집적형 테라헤르츠 트랜시버{THz transceiver with monolithic integration}Integrated terahertz transceiver {THz transceiver with monolithic integration}

본 발명은 집적형 테라헤르츠 트랜시버에 관한 것이다. The present invention relates to an integrated terahertz transceiver.

테라헤르츠 대역 트랜시버(transceiver)는 단일 칩 내에서 테라헤르츠(THz)파의 동시 또는 순차적인 송·수신이 가능한 소자로 구성된 집적화된 모듈이다.A terahertz band transceiver is an integrated module composed of elements capable of simultaneous or sequential transmission and reception of terahertz (THz) waves within a single chip.

테라헤르츠 대역 트랜시버는 분광, 이미징, 비파괴 검사에서 양방향 통신 응용까지 다양한 방식으로 적용 가능하며 시스템의 소형화, 저가격화, 저전력화 및 사용 용이성 향상에 핵심적인 부품이다. Terahertz band transceivers can be applied in a variety of ways, from spectroscopy, imaging, and non-destructive testing to two-way communication applications, and are a key component in miniaturizing systems, reducing cost, reducing power consumption, and improving ease of use.

테라헤르츠 트랜시버를 구성하는 송신기(Transmitter, Tx)와 수신기(Receiver, Rx)는 각각 건 다이오드(Gunn diode(Tx)) 와 쇼트키 장벽 다이오드(SBD(Rx))으로 구성되며, 동일한 에피구조를 이용하여 단일 기판 공정을 통해 집적이 가능하며, InP 또는 GaAs 위에 성장된 에피를 사용하므로 기존의 화합물 반도체 기반 발진기, 저잡음 증폭기, 전력 증폭기, 스위치와 같은 소자들의 집적을 통한 MMIC(Monolithic Microwave Integrate Circuit) 구성에 용이하다.The transmitter (Tx) and receiver (Rx) that make up the terahertz transceiver are composed of a Gunn diode (Tx) and a Schottky barrier diode (SBD (Rx)), respectively, and use the same epi structure. Integration is possible through a single substrate process, and by using epitaxial grown on InP or GaAs, MMIC (Monolithic Microwave Integrate Circuit) can be configured through integration of elements such as existing compound semiconductor-based oscillators, low-noise amplifiers, power amplifiers, and switches. It is easy to

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2014-0012937호(2014.02.04)에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2014-0012937 (2014.02.04).

일 측면에 따르면, 본 발명이 이루고자 하는 과제는 건 다이오드 및 쇼트키 장벽 다이오드를 각각 송신 및 수신 소자로 적용하여 별도의 칩 또는 다이 본딩 공정없이 동일 에피 구조를 사용하여 기판에 제작된 집적형 테라헤르츠 트랜시버를 제공하는 데 있다.According to one aspect, the problem to be achieved by the present invention is to apply Gunn diodes and Schottky barrier diodes as transmitting and receiving elements, respectively, to provide an integrated terahertz device manufactured on a substrate using the same epi structure without a separate chip or die bonding process. The goal is to provide a transceiver.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 기판상에 제작되는 건 다이오드; 및 기판상에 제작되는 쇼트키 장벽 다이오드를 포함하고, 건 다이오드와 쇼트키 장벽 다이오드는 동일한 에피 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 집적형 테라헤르츠 트랜시버를 제공한다.According to one aspect of the present invention, the present invention includes a gun diode manufactured on a substrate; and a Schottky barrier diode fabricated on a substrate, wherein the Gunn diode and the Schottky barrier diode are formed in the same epi structure.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 건 다이오드 및 쇼트키 장벽 다이오드를 각각 송신 및 수신 소자로 적용하여 별도의 칩 또는 다이 본딩 공정없이 동일 에피 구조를 사용하여 기판에 제작된다.According to one aspect of the present invention, the present invention applies Gunn diodes and Schottky barrier diodes as transmitting and receiving elements, respectively, and is manufactured on a substrate using the same epi structure without a separate chip or die bonding process.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 집적된 형태로 대량 생산이 가능하며, 다른 화합물 기반 MMIC(Monolithic microwave integrated circuit)와의 집적이 용이하고, 채널의 길이에 따라 밀리미터파에서 테라헤르츠 대역까지 활용 가능하다. According to another aspect of the present invention, the present invention can be mass-produced in an integrated form, is easy to integrate with other compound-based MMIC (Monolithic microwave integrated circuit), and can be used from millimeter waves to terahertz bands depending on the length of the channel. possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건 다이오드와 쇼트키 장벽 다이오드가 분리된 테라헤르츠 트랜시버의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건 다이오드와 쇼트키 장벽 다이오드의 캐소드를 공유하는 테라헤르츠 트랜시버의 단면도이다.
도 3은 건 다이오드의 GaAs의 전도대역의 밴드구조의 개략도이다.
도 4는 건 다이오드의 전자표동속도-전계의 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
도 5는 건 다이오드의 전류밀도-전계 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
도 6은 건 다이오드의 음성 전도구간에서의 쌍극자층의 성장과 이동(좌: 시간에 따른 반도체 내부 캐리어 농도 변화, 우: 내부 전계 분포 변화)을 나타낸 도면이다.
도 7은 건 다이오드의 평면형 Gunn-diode의 발진 주파수(f osc. )-채널 길이(L- ac ) 간 관계 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 금속-반도체 쇼트키 접합의 외부 바이어스에 따른 밴드 정렬도이다.
도 9는 안테나 집적형 쇼트키 장벽 다이오드의 개략도이다.
도 10은 쇼트키 장벽 다이오드의 정류 작용에 의한 외부 전자기파의 무전압(zero-bias) 검출 원리를 나타낸 도면이다.
도 11은 InGaAs 기반 쇼트키 장벽 다이오드의 전류-전압 특성을 나타낸 도면이다.
도 12는 외부 전압에 따른 전류, 전압 응답도 특성의 예를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 건 다이오드의 전극(150)과 쇼트키 장벽 다이오드의 캐소드가 분리 또는 공유된 예를 도시한 도면이다.
Figure 1 is a cross-sectional view of a terahertz transceiver in which the Gunn diode and Schottky barrier diode are separated according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view of a terahertz transceiver sharing the cathode of a Gunn diode and a Schottky barrier diode according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram of the band structure of the conduction band of GaAs of the Gunn diode.
Figure 4 is a diagram showing the electronic drift velocity-electric field characteristic curve of the Gunn diode.
Figure 5 is a diagram showing the current density-electric field characteristic curve of the Gunn diode.
Figure 6 is a diagram showing the growth and movement of the dipole layer in the negative conduction section of the Gunn diode (left: change in semiconductor internal carrier concentration over time, right: change in internal electric field distribution).
Figure 7 is a diagram showing an example of the relationship between the oscillation frequency (f osc. ) and channel length (L- ac ) of the planar Gunn-diode.
Figure 8 is a band alignment diagram according to external bias of a metal-semiconductor Schottky junction.
9 is a schematic diagram of an antenna-integrated Schottky barrier diode.
Figure 10 is a diagram showing the principle of zero-bias detection of external electromagnetic waves by the rectification action of a Schottky barrier diode.
Figure 11 is a diagram showing the current-voltage characteristics of an InGaAs-based Schottky barrier diode.
Figure 12 is a diagram showing an example of current and voltage response characteristics according to external voltage.
Figure 13 is a diagram showing an example in which the electrode 150 of the Gunn diode and the cathode of the Schottky barrier diode are separated or shared according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 테라헤르츠 트랜시버의 실시 예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Below, an example of a terahertz transceiver according to an embodiment of the present invention will be described. In this process, the thickness of lines or sizes of components shown in the drawing may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다.Implementations described herein may be implemented, for example, as a method or process, device, software program, data stream, or signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, only as a method), implementations of the features discussed may also be implemented in other forms (eg, devices or programs). The device may be implemented with appropriate hardware, software, firmware, etc. The method may be implemented in a device such as a processor, which generally refers to a processing device that includes a computer, microprocessor, integrated circuit, or programmable logic device.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건 다이오드와 쇼트키 장벽 다이오드가 분리된 테라헤르츠 트랜시버의 단면도이다.Figure 1 is a cross-sectional view of a terahertz transceiver in which the Gunn diode and Schottky barrier diode are separated according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 트랜시버(10)는 기판(110)상에 제작되는 건 다이오드(Gunn diode)(20), 및 기판(110)상에 제작되는 쇼트키 장벽 다이오드(Schottky Barrier Diode, SBD)(30)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the terahertz transceiver 10 according to an embodiment of the present invention includes a Gunn diode 20 manufactured on a substrate 110, and a Schottky transceiver manufactured on the substrate 110. It may include a barrier diode (Schottky Barrier Diode, SBD) 30.

기판(110)은 III-V 족 화합물 반도체인 InP, GaAs 기판일 수 있다. The substrate 110 may be an InP or GaAs substrate, which is a group III-V compound semiconductor.

건 다이오드(20)와 쇼트키 장벽 다이오드(30)는 동일한 에피 구조로 기판(110)에 형성될 수 있다. The Gunn diode 20 and the Schottky barrier diode 30 may be formed on the substrate 110 with the same epi structure.

건 다이오드(20)와 쇼트키 장벽 다이오드(30)는 기판(110) 상에 분리되어 형성될 수 있다. The Gunn diode 20 and the Schottky barrier diode 30 may be formed separately on the substrate 110.

다른 실시예로, 건 다이오드(20)와 쇼트키 장벽 다이오드(30)는 기판(110) 상에 캐소드를 공유할 수 있다. In another embodiment, Gunn diode 20 and Schottky barrier diode 30 may share a cathode on substrate 110.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건 다이오드와 쇼트키 장벽 다이오드의 캐소드를 공유하는 테라헤르츠 트랜시버의 단면도이다.Figure 2 is a cross-sectional view of a terahertz transceiver sharing the cathode of a Gunn diode and a Schottky barrier diode according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 테라헤르츠 트랜시버(10)는 건 다이오드(20)와 쇼트키 장벽 다이오드(30)가 형성되고, 건 다이오드(20)와 쇼트키 장벽 다이오드(30)가 캐소드를 공유할 수 있다. Referring to FIG. 2, the terahertz transceiver 10 includes a Gunn diode 20 and a Schottky barrier diode 30, and the Gunn diode 20 and the Schottky barrier diode 30 may share a cathode. .

건 다이오드(20)는 송신소자(Transmitter, Tx)로 사용될 수 있고, 쇼트키 장벽 다이오드(30)는 수신소자(Receiver, Rx)로 사용될 수 있다.The Gunn diode 20 can be used as a transmitter (Tx), and the Schottky barrier diode 30 can be used as a receiver (Rx).

건 다이오드(20)는 반도체 내 전자의 외부전계에 대한 이동도의 비선형성에 의해 나타나는 부성저항(negative resistance) 특성에 따른 발진현상을 이용한 소자이다. The Gunn diode 20 is a device that utilizes an oscillation phenomenon due to the negative resistance characteristic caused by the nonlinearity of the mobility of electrons in a semiconductor with respect to an external electric field.

도 3은 건 다이오드의 GaAs의 전도대역의 밴드구조의 개략도이고, 도 4는 건 다이오드의 전자표동속도-전계의 특성 곡선을 나타낸 도면이며, 도 5는 건 다이오드의 전류밀도-전계 특성 곡선을 나타낸 도면이며, 도 6은 건 다이오드의 음성 전도구간에서의 쌍극자층의 성장과 이동(좌: 시간에 따른 반도체 내부 캐리어 농도 변화, 우: 내부 전계 분포 변화)을 나타낸 도면이며, 도 7은 건 다이오드의 평면형 Gunn-diode의 발진 주파수(f osc. )-채널 길이(L- ac ) 간 관계 예를 나타낸 도면이다.Figure 3 is a schematic diagram of the band structure of the GaAs conduction band of the Gunn diode, Figure 4 is a diagram showing the electronic drift velocity-electric field characteristic curve of the Gunn diode, and Figure 5 is a diagram showing the current density-electric field characteristic curve of the Gunn diode. Figure 6 is a diagram showing the growth and movement of the dipole layer in the negative conduction section of the Gunn diode (left: change in semiconductor internal carrier concentration over time, right: change in internal electric field distribution), and Figure 7 is a diagram showing the growth and movement of the dipole layer in the negative conduction section of the Gunn diode. This diagram shows an example of the relationship between the oscillation frequency (f osc. ) and channel length (L- ac ) of a planar Gunn-diode.

건 다이오드(20)는 GaAs를 활성층으로 적용하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 내 임계값 이상의 전계가 인가되면 낮은 에너지 대역(Valley 1)에 분포하고 있는 전자들이 0.3 eV 이상의 에너지를 얻어 대부분 보다 높은 에너지 대역(Valley 2)으로 전송되며 유효상태밀도의 상대적인 차이에 의해 해당 에너지 대역에 분포하게 된다. When GaAs is applied to the Gunn diode 20 as an active layer, as shown in FIG. 3, when an electric field exceeding the threshold within the semiconductor is applied, electrons distributed in the low energy band (Valley 1) gain energy of 0.3 eV or more. It is mostly transmitted to a higher energy band (Valley 2) and is distributed in that energy band due to the relative difference in effective state density.

Valley 2에 존재하는 전자의 유효질량은 약 8배 이상 증가하기 때문에 이동도가 매우 낮아지게 되어 임계전계이상에서는 전자의 속도가 오히려 감소하게 되므로 해당 구간에서 음성 미분이동도 (dVd/dE=-μ*)를 나타낸다. Since the effective mass of electrons in Valley 2 increases by more than 8 times, the mobility becomes very low. Above the critical electric field, the speed of electrons actually decreases, so the negative differential mobility in that section (dV d /dE=- μ * ).

그 결과, 건 다이오드(20)는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같은 전자표동속도-전계 및 전류밀도-전계 특성이 나타나게 된다. As a result, the Gunn diode 20 exhibits electromagnetic drift speed-electric field and current density-electric field characteristics as shown in FIGS. 4 and 5.

이와 같은 음성 미분이동도(도 4 내 C 구간)가 나타나는 바이어스 조건에서는 반도체 내부에서의 전자농도의 불균형으로 인해 형성된 도메인(domain, dipole layer)이 전계가 증가할수록 쌍극자층 내부가 외부에 비해 전계가 증가하게 되어 전자의 드리프트 속도가 감소하게 된다. 따라서, 쌍극자층 외부 오른쪽의 전자들은 드리프트에 의해 빠져나가게 되고, 왼쪽에는 전자가 쌓이게 되어 쌍극자층이 성장하게 된다. 성장된 쌍극자층은 쌍극자층 내부전계가 점 B에 존재하고, 외부전계가 점 A에 존재할 때 안정된 조건이 유지되어 모든 전자들이 포화속도(Vs)로 양극까지 드리프트하며, 통과시 전류의 변동(교류 전류)이 외부로 나타나고 이후 반도체 내부의 전계는 EC로 되어 다시 증가하는 과정이 반복되어 지속적인 교류전류가 외부로 생성되어 교류 전류 및 전자기파 신호원으로 응용할 수 있다. 건 다이오드(20)의 전이 발진 주파수(transit oscillation frequency)는 아래의 수학식 1과 같이 활성층 채널의 길이(L ch ) 및 반도체 내 형성된 도메인의 속도(υ domain )에 의해 결정된다.Under bias conditions where such negative differential mobility (C section in Figure 4) appears, as the electric field in the domain (dipole layer) formed due to the imbalance of electron concentration inside the semiconductor increases, the electric field inside the dipole layer becomes higher than outside. As this increases, the drift speed of electrons decreases. Accordingly, electrons on the right side outside the dipole layer escape by drift, and electrons accumulate on the left side, causing the dipole layer to grow. In the grown dipole layer, stable conditions are maintained when the internal electric field of the dipole layer exists at point B and the external electric field exists at point A, so that all electrons drift to the anode at a saturation speed (V s ), and the change in current when passing through ( An alternating current) appears outside, and then the electric field inside the semiconductor becomes E C and the process of increasing again is repeated, and a continuous alternating current is generated outside, which can be applied as an alternating current and electromagnetic wave signal source. The transition oscillation frequency of the Gunn diode 20 is determined by the length of the active layer channel (L ch ) and the speed of the domain formed in the semiconductor (υ domain ), as shown in Equation 1 below.

수학식 1의 L dead 은 채널 내 전자가 음극에서부터 전도대 에너지 대역 간 전이가 일어나기 위해 필요한 최소한의 채널 내 길이(dead space 또는 dead zone)로서 DC-to-RF 변환에 기여하지 않는 저항 성분에 해당하므로 최소화 하는 것이 발진에 유리하다. L dead in Equation 1 is the minimum channel length (dead space or dead zone) required for electrons in the channel to transition from the cathode to the conduction band energy band, and corresponds to a resistance component that does not contribute to DC-to-RF conversion. Minimizing it is beneficial to rashes.

도 7을 참조하면, 건 다이오드(20)의 발진 주파수는 채널 길이에 의해 결정되며 In0.53Ga0.47As를 활성층으로 적용하여 2μm 이하의 채널의 소자 제작 시 100 GHz 이상의 고주파 생성이 가능함을 알 수 있다. Referring to FIG. 7, the oscillation frequency of the Gunn diode 20 is determined by the channel length, and it can be seen that it is possible to generate high frequencies of 100 GHz or more when manufacturing a device with a channel of 2 μm or less by applying In 0.53 Ga 0.47 As as an active layer. .

도 8은 금속-반도체 쇼트키 접합의 외부 바이어스에 따른 밴드 정렬도이고, 도 9는 안테나 집적형 쇼트키 장벽 다이오드의 개략도이며, 도 10은 쇼트키 장벽 다이오드의 정류 작용에 의한 외부 전자기파의 무전압(zero-bias) 검출 원리를 나타낸 도면이며, 도 11은 InGaAs 기반 쇼트키 장벽 다이오드의 전류-전압 특성을 나타낸 도면이며, 도 12는 외부 전압에 따른 전류, 전압 응답도 특성의 예를 나타낸 도면이다.Figure 8 is a band alignment diagram according to external bias of a metal-semiconductor Schottky junction, Figure 9 is a schematic diagram of an antenna-integrated Schottky barrier diode, and Figure 10 is a no-voltage diagram of external electromagnetic waves due to the rectification action of the Schottky barrier diode. (zero-bias) This is a diagram showing the detection principle, Figure 11 is a diagram showing the current-voltage characteristics of an InGaAs-based Schottky barrier diode, and Figure 12 is a diagram showing an example of current and voltage response characteristics according to external voltage. .

쇼트키 장벽 다이오드(30)는 도 8 내지 9에 도시된 바와 같이 금속-반도체 접합에 의해 형성된 쇼트키 에너지 장벽에 의한 정류 특성을 이용하여 전자기파를 검출하는 방식으로 동작하게 된다. As shown in FIGS. 8 and 9, the Schottky barrier diode 30 operates by detecting electromagnetic waves using the rectification characteristics of the Schottky energy barrier formed by the metal-semiconductor junction.

일반적인 p-n형 반도체 접합과 달리 금속-n형 반도체 접합으로 구성되어 다수 캐리어(전자)에 의해 동작하므로 소수 캐리어 축적 효과가 나타나지 않아 역회복시간이 매우 짧기 때문에 마이크로파/테라헤르츠파 검출에 적합하다. 실제 검출기는 안테나 또는 도파관 내 집적된 SBD의 양 단자에 정류 작용에 의해 수신된 신호의 출력에 비례하는 크기의 전류 또는 전압으로 검출된다. 특히, 상대적으로 낮은 쇼트키 장벽을 형성하면서 높은 이동도를 가지는 InGaAs, InGaAsP을 이용하는 경우 무전압 검출 방식으로 구현 가능하여 저잡음, 저전력, 고감도의 상온 검출용 테라헤르츠파 검출기 제작이 가능하다. SBD의 정류작용에 의한 검출 원리에 의해 I-V 곡선을 통해 입사파에 의한 전류 및 전압에 대한 반응도는 square-law detection 원리를 따르는 것을 전제로 아래의 수학식 2와 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Unlike a typical p-n type semiconductor junction, it is composed of a metal-n type semiconductor junction and operates by majority carriers (electrons), so it does not have the minority carrier accumulation effect and the reverse recovery time is very short, making it suitable for microwave/terahertz wave detection. The actual detector detects a current or voltage of a magnitude proportional to the output of the signal received by a rectifying action at both terminals of the SBD integrated in the antenna or waveguide. In particular, when using InGaAs and InGaAsP, which have high mobility while forming a relatively low Schottky barrier, it is possible to implement a voltage-free detection method, making it possible to manufacture a terahertz wave detector for room temperature detection with low noise, low power, and high sensitivity. Based on the detection principle by the rectification action of SBD, the responsiveness to the current and voltage caused by the incident wave through the I-V curve can be expressed as Equation 2 and Equation 3 below, assuming that it follows the square-law detection principle.

여기서, e는 전자의 전하량이고, α는 이상계수이며, k-B는 볼츠만 상수이며, T는 절대온도이다.Here, e is the charge of the electron, α is the ideality coefficient, k- B is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, InGaAs를 반도체, Ti를 금속으로 적용하여 SBD 소자 내 낮은 에너지 장벽을 갖는 쇼트키 접합 형성 시 우수한 정류 특성과 0.1 V 이하의 낮은 문턱 전압이 동시에 구현 가능하여 0V 부근에서 높은 전류 응답도 및 전압 응답도를 나타낸다. 이러한 특성은 In1-xGaxAs의 상온에서의 높은 이동도(~8000 cm2/V·sec, x=0.47) 특성과 함께 모듈 내부 구성의 단순화, 소형화를 통해 신뢰성 및 안정성이 향상된 상온 테라헤르츠 무전압 바이어스(zero-bias)검출기 제작이 가능하다.As shown in Figures 11 and 12, when InGaAs is used as a semiconductor and Ti is used as a metal to form a Schottky junction with a low energy barrier in an SBD device, excellent rectification characteristics and a low threshold voltage of 0.1 V or less can be achieved at the same time. It shows high current and voltage responsiveness around 0V. These characteristics, along with the high mobility (~8000 cm2/V·sec, x=0.47) of In 1-x Ga It is possible to manufacture a zero-bias detector.

한편, 건 다이오드(20)는 캐소드와 애노드를 포함할 수 있다. Meanwhile, the Gunn diode 20 may include a cathode and an anode.

기판(110) 상에 액티브 레이어(120)가 형성되고, 액티브 레이어(120) 상에 오믹 레이어가 형성되며, 오믹 레이어(140) 상에 전극(150)이 형성되어 캐소드가 형성될 수 있다.An active layer 120 is formed on the substrate 110, an ohmic layer is formed on the active layer 120, and an electrode 150 is formed on the ohmic layer 140 to form a cathode.

액티브 레이어(120)는 건 다이오드(20)의 전류 펄스를 생성하는 전극(150)과 전극(150) 사이에 채널을 형성할 수 있다. The active layer 120 may form a channel between the electrode 150 and the electrode 150 that generates the current pulse of the Gunn diode 20.

액티브 레이어(120) 상에 오믹 레이어(140)가 형성되고, 오믹 레이어(140) 상에 전극(150)이 형성되어 애노드가 형성될 수 있다.An ohmic layer 140 may be formed on the active layer 120, and an electrode 150 may be formed on the ohmic layer 140 to form an anode.

액티브 레이어(120)는 In-1-xGaxAs, Al1-xGaxAs, In1-xGaxAs/Al1-yGayAs(0≤x, y≤1) 기반 양자구조 중 동종의 물질로 구성될 수 있다. The active layer 120 has a quantum structure based on In- 1-x Ga x As, Al 1-x Ga x As, In 1-x Ga x As/Al 1-y Ga y As (0≤x, y≤1) It may be composed of the same type of material.

오믹 레이어(140)는 액티브 레이어(120)에서 전극(150) 방향으로 전류 흐름을 원활하게 한다. The ohmic layer 140 facilitates current flow from the active layer 120 to the electrode 150.

오믹 레이어(140)는 액티브 레이어(120)와 쇼트키 레이어(130)에 사용된 동종의 1018 cm-3 이상의 농도로 도핑된 n-type의 물질 또는 이종의 III-V족 화합물 반도체로 형성될 수 있다.The ohmic layer 140 may be formed of an n-type material doped at a concentration of 10 18 cm -3 or more of the same type used in the active layer 120 and the Schottky layer 130 or a heterogeneous III-V group compound semiconductor. You can.

건 다이오드(20)의 채널은 단일 또는 복수의 채널로 형성될 수 있다.The channel of the Gunn diode 20 may be formed as a single or multiple channels.

채널의 길이는 도 7에 나타낸 바와 같이, 사용하고자 하는 발진주파수를 결정하므로, 각 채널별로 설정 채널 길이, 예를 들어 수 μm 범위 내에서 달라질 수 있다. 소자 내 채널의 총 너비는 채널 길이당 전류밀도가 수~수십 A/mm에 이르므로 설정 채널 너비, 예를 들어 수십 μm 이상의 너비로 형성될 수 잇다.As shown in FIG. 7, the length of the channel determines the oscillation frequency to be used, so the set channel length for each channel may vary, for example, within the range of several μm. The total width of the channel in the device can be formed to be a set channel width, for example, a width of several tens of μm or more, because the current density per channel length ranges from several to several tens of A/mm.

쇼트키 장벽 다이오드(30)는 캐소드와 애노드를 포함할 수 있다.Schottky barrier diode 30 may include a cathode and an anode.

기판(110) 상에 쇼트키 레이어(130)가 형성되고, 쇼트키 레이어(130) 상에 오믹 레이어(140)가 형성되며, 오믹 레이어(140) 상에 전극(150)이 형성되어 캐소드가 형성될 수 있다.A Schottky layer 130 is formed on the substrate 110, an ohmic layer 140 is formed on the Schottky layer 130, and an electrode 150 is formed on the ohmic layer 140 to form a cathode. It can be.

쇼트키 레이어(130) 상에 다이일렉트릭 레이어(160)가 형성되고, 다이일렉트릭 레이어(160) 상에 전극(150)이 형성되어 애노드가 형성될 수 있다. A dielectric layer 160 may be formed on the Schottky layer 130, and an electrode 150 may be formed on the dielectric layer 160 to form an anode.

쇼트키 레이어(130)는 쇼트키 접합 레이어의 쇼트키 접합을 이룰 수 있다. The Schottky layer 130 may form a Schottky joint of Schottky bonding layers.

쇼트키 레이어(130)는 In-1-xGaxAs, Al1-xGaxAs, In1-xGaxAs/Al1-yGayAs 기반 양자구조 중 동종의 물질로 구성될 수 있다. The Schottky layer 130 may be composed of the same type of material among In- 1-x Ga x As, Al 1-x Ga x As, and In 1-x Ga x As/Al 1-y Ga y As-based quantum structures. there is.

상기한 바와 같이, 액티브 레이어(120)와 쇼트키 레이어(130)가 In-1-xGaxAs, Al1-xGaxAs, In1-xGaxAs/Al1-yGayAs 기반 양자구조 중 동종의 물질로 구성됨에 따라, 건 다이오드(20)와 쇼트키 장벽 다이오드(30)는 분리되거나 또는 캐소드가 공유될 수 있다. As described above, the active layer 120 and the Schottky layer 130 are In- 1-x Ga x As, Al 1-x Ga x As, In 1-x Ga x As/Al 1-y Ga y As. As the underlying quantum structure is made of the same material, the Gunn diode 20 and the Schottky barrier diode 30 may be separated or their cathodes may be shared.

오믹 레이어(140)는 쇼트키 레이어(130)에서 전극(150) 방향으로 전류 흐름을 원활하게 한다. 오믹 레이어(140)는 액티브 레이어(120)와 쇼트키 레이어(130)에 사용된 동종의 1018 cm-3 이상의 농도로 도핑된 n-type의 물질 또는 이종의 III-V족 화합물 반도체로 형성될 수 있다. The ohmic layer 140 facilitates current flow from the Schottky layer 130 to the electrode 150. The ohmic layer 140 may be formed of an n-type material doped at a concentration of 10 18 cm -3 or more of the same type used in the active layer 120 and the Schottky layer 130 or a heterogeneous III-V group compound semiconductor. You can.

쇼트키 장벽 레이어는 애노드의 면적 크기를 수 μm2 이하로 형성하기 위해서 전자빔 또는 광 리소그래피 방식이 이용될 수 있다. The Schottky barrier layer may use an electron beam or optical lithography method to form the anode area size to several μm 2 or less.

쇼트키 장벽 레이어는 검출하고자 하는 주파수가 300 GHz 이상인 경우, 기생 용량을 줄이기 위해서 쇼트키 레이어(130) 내 에칭 에어리어(etching area)(170)가 형성될 수 있다. 에칭 에어리어(170)는 자유공간 또는 소자의 동작 주파수 대역에서 저유전율을 갖는 유전체를 형성할 수 있다.When the frequency to be detected in the Schottky barrier layer is 300 GHz or higher, an etching area 170 may be formed within the Schottky layer 130 to reduce parasitic capacitance. The etching area 170 may form a dielectric having a low dielectric constant in free space or in the operating frequency band of the device.

한편, 액티브 레이어(120)와 쇼트키 장벽 레이어는 동일한 기판(110) 상에 형성된 액티브 레이어(120)와 쇼트키 장벽 레이어가 캐소드를 공유하는 예를 설명한다.Meanwhile, the active layer 120 and the Schottky barrier layer describe an example in which the active layer 120 and the Schottky barrier layer formed on the same substrate 110 share a cathode.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 건 다이오드의 전극과 쇼트키 장벽 다이오드의 캐소드가 분리 또는 공유된 예를 도시한 도면이다.Figure 13 is a diagram showing an example in which the electrode of the Gunn diode and the cathode of the Schottky barrier diode are separated or shared according to an embodiment of the present invention.

채널 길이의 변조에 따라 도 13의 (a), (b)에 단일 주파수 발진이 가능한 트랜시버 구조가 도시되었다. (a)은 단일주파수 발진 테라헤르츠 트랜시버(10) 내에서 캐소드를 공유하는 구조이고, (b)에는 단일주파수 발진 테라헤르츠 트랜시버(10) 내에서 캐소드가 분리된 구조이다.A transceiver structure capable of single frequency oscillation is shown in Figures 13 (a) and (b) depending on the modulation of the channel length. (a) is a structure in which the cathode is shared within the single-frequency oscillation terahertz transceiver 10, and (b) is a structure in which the cathodes are separated within the single-frequency oscillation terahertz transceiver 10.

도 13의 (c), (d)에 다중 주파수 발진이 가능한 트랜시버 구조가 도시되었다. (c)는 다중주파수 발진 테라헤르츠 트랜시버(10) 내에서 캐소드를 공유하는 구조이고, (d) 다중주파수 발진 테라헤르츠 트랜시버(10) 내에서 캐소드가 분리된 구조이다.A transceiver structure capable of multi-frequency oscillation is shown in Figures 13 (c) and (d). (c) is a structure in which the cathode is shared within the multi-frequency oscillation terahertz transceiver 10, and (d) is a structure in which the cathodes are separated within the multi-frequency oscillation terahertz transceiver 10.

도 13의 (e), (f)에 도시된 바와 같이, 쇼트키 장벽 다이오드(30)는 역평행 구조로 제작된 하모닉 믹서 형태로 변형하여 구현 가능하다. 전극 구조는 CPW(Coplanar waveguide) 형태로 한정되지 않으며, 도파관 형태 또는 협대역 및 광대역 특성을 포함한 안테나에 집적되어 제작된 형태로 형성될 수 있다. 이를 위해서 2단자 형태의 전극(150)구조와 이를 이용한 안테나 집적 형태의 실시 예가 도 13의 (g), (h)에 도시되었다. 제안된 소자는 도 13의 (i)와 같이 전극 구조를 공유하거나 또는 독립적으로 분리된 형태의 1D 또는 2D의 배열형태로 확장성을 포함한다. 여기서, (e)는 역평행(anti-parallel) 구조 쇼트키 장벽 다이오드(30)가 수신소자로 적용된 트랜시버 내에서 캐소드를 공유하는 구조이고, (f)는 역평행(anti-parallel) 구조 SBD가 수신소자로 적용된 트랜시버 내에서 캐소드가 분리된 구조이다. (g)는 안테나 집적을 위한 트랜시버 구조이고, (h)는 광대역 안테나에 집적된 구조이며, (i) 배열(array)형 트랜시버의 평면도이다. As shown in Figures 13 (e) and (f), the Schottky barrier diode 30 can be implemented by modifying it into a harmonic mixer manufactured with an anti-parallel structure. The electrode structure is not limited to the CPW (Coplanar waveguide) form, and may be formed in the form of a waveguide or integrated into an antenna with narrow-band and wide-band characteristics. For this purpose, an example of a two-terminal electrode 150 structure and an antenna integrated form using the same is shown in Figures 13 (g) and (h). The proposed device includes scalability in the form of a 1D or 2D array that shares the electrode structure or is independently separated, as shown in (i) of FIG. 13. Here, (e) is a structure in which an anti-parallel structure Schottky barrier diode 30 shares a cathode within a transceiver applied as a receiving element, and (f) is an anti-parallel structure SBD. It is a structure in which the cathode is separated within the transceiver applied as a receiving element. (g) is a transceiver structure for antenna integration, (h) is a structure integrated into a broadband antenna, and (i) is a top view of an array-type transceiver.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 트랜시버(10)는 건 다이오드(20) 및 쇼트키 장벽 다이오드(30)를 각각 송신 및 수신 소자로 적용하여 별도의 칩 또는 다이 본딩 공정없이 동일 에피 구조를 사용하여 기판(110)에 제작된다.As such, the terahertz transceiver 10 according to an embodiment of the present invention uses the Gunn diode 20 and the Schottky barrier diode 30 as transmitting and receiving elements, respectively, to transmit the same epitaxial signal without a separate chip or die bonding process. It is manufactured on the substrate 110 using the structure.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 트랜시버(10)는 집적된 형태로 대량 생산이 가능하며, 다른 화합물 기반 MMIC와의 집적이 용이하고, 채널의 길이에 따라 밀리미터파에서 테라헤르츠 대역까지 활용 가능하다. In addition, the terahertz transceiver 10 according to an embodiment of the present invention can be mass-produced in an integrated form, is easy to integrate with other compound-based MMICs, and can be utilized from millimeter waves to terahertz bands depending on the length of the channel. possible.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely illustrative, and those skilled in the art will recognize that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. You will understand. Therefore, the scope of technical protection of the present invention should be determined by the scope of the patent claims below.

10: 테라헤르츠 트랜시버
20: 건 다이오드
30: 쇼트키 장벽 다이오드
110: 기판
120: 액티브 레이어
130: 쇼트키 레이어
140: 오믹 레이어
150: 전극
160: 다이일렉트릭 레이어
170: 에칭 에어리어
10: Terahertz transceiver
20: Gunn diode
30: Schottky barrier diode
110: substrate
120: Active layer
130: Schottky layer
140: Ohmic layer
150: electrode
160: Dielectric layer
170: Etching area

Claims (1)

기판상에 제작되는 건 다이오드; 및
상기 기판상에 제작되는 쇼트키 장벽 다이오드를 포함하고,
상기 건 다이오드와 상기 쇼트키 장벽 다이오드는 동일한 에피 구조로 형성되는 집적형 테라헤르츠 트랜시버.
A diode is fabricated on a substrate; and
It includes a Schottky barrier diode fabricated on the substrate,
An integrated terahertz transceiver in which the Gunn diode and the Schottky barrier diode are formed with the same epi structure.
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