WO2016010345A1 - 테라헤르츠 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버 - Google Patents

테라헤르츠 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버 Download PDF

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WO2016010345A1
WO2016010345A1 PCT/KR2015/007307 KR2015007307W WO2016010345A1 WO 2016010345 A1 WO2016010345 A1 WO 2016010345A1 KR 2015007307 W KR2015007307 W KR 2015007307W WO 2016010345 A1 WO2016010345 A1 WO 2016010345A1
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WO
WIPO (PCT)
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thz
substrate
transceiver operating
active layer
voltage
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/007307
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
전태인
노삼규
지영빈
오승재
박현상
정기영
김상훈
박동우
김준오
Original Assignee
한국해양대학교 산학협력단
연세대학교 산학협력단
한국표준과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region

Definitions

  • the present invention relates to a voltage-free transceiver operating in the terahertz (THz) band, and more particularly, by forming a THz wave transmitter (Tx) and receiver (Rx) on a single substrate,
  • Tx THz wave transmitter
  • Rx receiver
  • the present invention relates to a voltage-free transceiver operating in the THz band capable of transmitting and detecting THz waves.
  • Terahertz (THz) waves are electromagnetic waves with a frequency range of 100 GHz to 10 THz between infrared and microwave, and are recently recognized as a radio wave resource of the future with the development of advanced technology. Its importance is being added to various applications through the convergence with Information Technology (BT) and Bio Technology (BT).
  • BT Information Technology
  • BT Bio Technology
  • THz waves go straight like visible light and penetrate various materials like radio waves, so they are used for the detection of counterfeit bills, drugs, explosives, biochemical weapons, as well as basic sciences such as physics, chemistry, biology and medicine.
  • the structure can be inspected nondestructively, so it is expected to be widely used in general industry, defense, security and so on.
  • THz technology is expected to be widely used in wireless communication, high-speed data processing, and inter-satellite communication of 40 Gbit / s or more in the information communication field.
  • the pulsed THz wave is a method of generating a THz wave by irradiating a femtosecond (fs: 10-15 seconds) pulse laser to a special semiconductor or an optical crystal.
  • 1 is a view for explaining a method of generating a pulsed THz wave by irradiating an fs pulse laser to a photoconductive antenna.
  • the photoconductive antenna 100 is a photoconductive epilayer or hetero multiple epilayer formed on an insulator or semi-insulating (SI) semiconductor substrate 110. And a metal parallel transmission line 130 having a central protrusion formed on the photoconductive thin film 120.
  • the portion protruding in the central region of the metal parallel transmission line 130 acts as a dipole antenna.
  • V b bias voltage
  • the intermittent excitation is performed using a laser pulsed light having a time width of 100 fs or less.
  • Carriers of electrons and holes are generated to instantaneously flow a current through the metal parallel transmission line 130, and generate a THz wave proportional to the time derivative of the current.
  • the THz wave generated in the thin film 120 is radiated toward the substrate 110.
  • the pulse width of the THz wave emitted in this manner is 1 picosecond (ps: 10 -12 seconds) or less, and a general-purpose pulse laser of 30 fs or more.
  • the spectrum obtained by Fourier transform has a wide band from 0 to several THz frequencies.
  • the fs laser excitation light is focused on the photoconductive antenna 130 through a focusing lens and the hemi-spherical lens closely adhered to the rear surface of the substrate 110. It should be radiated through collimation through a spherical lens.
  • the conventional THz wave transceiver is configured to generate or detect a THz wave as a separate element in which a transmitter (Tx) and a receiver (Rx) equipped with each photoconductive antenna are separated, thereby increasing the size of the system. And the miniaturization and application of the device.
  • An attempt has been made to integrate the Tx and Rx discrete elements on a single chip in order to compensate for this restriction, a significant increase in the methods conventional attempt has noise by the bias voltage (Fig. 1, V b) for applying the THz generation (noise) Therefore, it has not been put to practical use because of the problem of very low signal-to-noise ratio.
  • THz transceiver that transmits and detects THz waves to a single device without using a bias voltage.However, in order to generate THz waves with these THz wave transceivers, the repetition rate is several kilohertz (kHz) or less and peaks. There is a problem that a laser pulse having a high peak power must be used.
  • Patent Document 1 Domestic Patent No. 10-1145778 (registered May 07, 2012)
  • Patent Document 2 Domestic Publication No. 10-2009-0056764 (Published June 03, 2009)
  • the present invention is to provide a voltage-free transceiver that operates in the THz band that can be used to significantly improve the signal-to-noise ratio by using a bias voltage, and can use a laser pulse with a low peak power.
  • the present invention is to provide a voltage-free transceiver that operates in the THz band that can be used safely even when applied to medical equipment that should be targeted to the human body.
  • a voltageless transceiver operating in the THz band includes a substrate; A transmitter (Tx) positioned on the substrate and transmitting terahertz (THz) waves and not using a bias voltage; And a receiver (Rx) spaced apart from the Tx at a predetermined interval and detecting a THz wave, wherein the Tx comprises a metal line having a constant thickness and line width, and the Rx includes a second active layer located on the substrate. active layer); And a photoconductive antenna positioned on the second active layer.
  • the receiver Rx may be formed of a heterogeneous thin film including a homogeneous thin film or a multi quantum well layer (MQW layer).
  • MQW layer multi quantum well layer
  • the active layer may be composed of a multilayer of a first active layer grown at a normal temperature on a single chip and a second active layer grown at a low temperature (LTG).
  • LTG low temperature
  • the Tx is a thin film of InGaAs grown at a normal temperature formed on the substrate; And a hetero-layer thin film including an MQW formed on the substrate.
  • Upper and side surfaces of the hetero-layer thin film may be provided with a metal pad formed of a conductive material of a single layer or a plurality of layers.
  • a first buffer layer or a second buffer layer may be further formed on the substrate.
  • the photoconductive antenna may be formed of a single layer or a plurality of conductive materials on top and sides of the second active layer of Rx.
  • the voltageless transceiver operating in the terahertz (THz) band can transmit and detect THz waves within a single chip by integrating a THz wave transmitter (Tx) and a receiver (Rx) on a single substrate.
  • Tx THz wave transmitter
  • Rx receiver
  • the voltageless transceiver operating in the THz band according to the present invention does not use a bias voltage, thereby significantly improving the signal-to-noise ratio, and using a laser pulse having a low peak power.
  • the voltage-free transceiver operating in the THz band according to the present invention can be used safely even when applied to medical equipment to be targeted to the human body.
  • FIG. 1 is a view for explaining a method of generating a pulsed THz wave by irradiating an fs laser to the photoconductive antenna in the prior art.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a voltageless transceiver operating in the THz band according to the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view showing a voltageless transceiver operating in the THz band according to the present invention.
  • FIG 4 is a cross-sectional view of the receiver Rx in a no-voltage transceiver operating in the THz band according to the present invention.
  • 5 to 7 are views for explaining a method for manufacturing a voltage-free transceiver operating in the THz band according to the present invention.
  • FIG 8 is a graph illustrating a result of detecting a THz wave with a receiver (Rx) of a voltageless transceiver operating in the THz band according to the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the p-D effect in a voltageless transceiver operating in the THz band according to the present invention.
  • top, bottom, top, bottom, or top, bottom, etc. are used to distinguish relative positions in the component.
  • the upper part may be called the lower part and the lower part may be named the upper part without departing from the scope of the present invention. .
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a voltage-free transceiver operating in the THz band according to the present invention
  • Figure 3 is a plan view showing a voltage-free transceiver operating in the THz band according to the present invention
  • Figure 4 is an operation in the THz band according to the present invention
  • Figure 5 is a cross-sectional view of a receiver (Rx) in a voltage-free transceiver to explain a method for manufacturing a voltage-free transceiver operating in the THz band according to the present invention
  • Figure 8 is THz according to the present invention
  • FIG. 9 is a graph showing a result of detecting a THz wave with a receiver (Rx) of a voltage-free transceiver operating in a band
  • FIG. 9 is a photo-demand (pD) in a voltage-free transceiver operating in a band THz according to the present invention.
  • THz wave When the THz wave is generated by the effect, it is a graph of a representative noise signal and a signal current (peak-to-peak current) according to the laser output, and FIG. 10 is in the THz band according to the present invention. Schematic to explain the p-D effect in a voltage-free transceiver operating in the
  • the voltageless transceiver operating in the THz band according to the present invention is configured to transmit and detect a THz wave by integrating a THz transmitter (Tx) 400 and a receiver (Rx) 500 on a single substrate 200. It is a device that can transmit and detect THz wave in a single chip rather than individual devices. 2 to 10, the voltageless transceiver operating in the THz band according to the present invention includes a substrate 200, a Tx 400 and an Rx 500 formed on the substrate 200.
  • the substrate 200 is a substrate on which the Tx 400 and the Rx 500 are formed in a subsequent process, and may be a semi-insulating semiconductor or an insulator.
  • the substrate 200 may be an insulator substrate capable of forming SI-GaAs or SI-InP, and other Tx or Rx upper layer structures.
  • a first buffer layer 300a may be further formed on the substrate 200.
  • the first buffer layer 300a may be formed of an InP or indium gallium arsenide (InGaAs) material.
  • the first buffer layer 300a serves as a buffer to allow the InGaAs thin film, which is an active layer formed in a later process, to be easily grown on the substrate 200.
  • the Tx 400 may be positioned on the substrate 200 or the first active layer 410 and provided to transmit THz waves.
  • the Tx 400 may be formed of a metal line having a constant thickness and line width, and may be formed of gold (Au), titanium (Ti), or a stack thereof.
  • the line width of the metal line of the Tx 400 may be formed to be 10 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the thickness of the metal line of the Tx 400 is 100 nm to 500 nm in Au and 10 nm to 50 nm in Ti. Can be formed.
  • the Tx 400 generates THz waves using an optical-demaver (pD) effect
  • the first active layer 410 is an InGaAs-based homogeneous thin film or a hetero-layer thin film including the same, for example, InGaAs / InAlAs multilayer. It may include a quantum well (MQW) structure.
  • QW quantum well
  • Metal pads may be formed on upper and side surfaces of the first active layer 410.
  • the metal pad may be made of a single layer or a laminated conductive material, and the conductive material may be formed of the same material as the metal line of Tx.
  • the transmitter 400 In the no-voltage transceiver operating in the THz band according to the present invention, the transmitter 400 generates THz waves using a pD effect.
  • the pD effect is a laser pulse in the first active layer 410.
  • the carrier mobility carrier mobility
  • dipole moment (dipole moment, P Dember ) thin film It is formed perpendicular to the plane 410, the THz wave is generated in a direction parallel to the plane of the thin film 410, as shown in Figure 10 (b) when the laser pulse is irradiated on one side of the metal pad P Dember and the thin film 410 surface THz waves are generated in a direction perpendicular to the plane of the thin film 410.
  • the Rx 500 is located on the second active layer 510 and is located on one side spaced apart from the Tx 400 by a predetermined interval, and detects the THz wave transmitted to the voltage-free transceiver operating in the THz band according to the present invention. It may be provided to.
  • the Tx 400 and Rx 500 may be configured such that the horizontal distance is 10 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the Rx 500 is positioned on the second active layer 510 formed on the first active layer 410.
  • the second active layer 510 may be composed of a low-temperature grown (LTG) InGaAs-based homogeneous thin film or a hetero-layered thin film, and may be formed between the first active layer 410 and the second active layer 510.
  • 2 buffer layer 300b may be inserted.
  • the photoconductive antenna 520 may be provided to detect a THz wave transmitted to a voltageless transceiver operating in the THz band according to the present invention.
  • the photoconductive antenna 520 may have metal pads (not shown) formed on upper and side surfaces of the second active layer 510.
  • the metal pad may be made of a single layer or a laminated conductive material, and the conductive material may be formed of the same material as Rx.
  • the photoconductive antenna 520 may include a metal parallel transmission line 524 having a central protrusion 526 and electrode pads 522 symmetrically formed at both ends of the metal parallel transmission line 524.
  • the protrusion 526 formed in the central region of the metal parallel transmission line 524 acts as a dipole antenna.
  • the electrode pads 522 formed at both ends of the metal parallel transmission line 524 may be connected to an electric wire for electrical connection with an external meter.
  • the substrate 200 is provided as shown in FIG. 5.
  • the substrate 200 may be an insulator or semi-insulating semiconductor substrate 200, and may be formed of, for example, an insulating material such as SI-GaAs or SI-InP or sapphire.
  • a first active layer 410 may be formed on the first buffer layer 300a, and the first active layer 410 may be an InGaAs-based homogeneous thin film or hetero-layered thin film on the first buffer layer 300a. (For example, InGaAs / InAlAs MQW).
  • the second buffer layer 300b may be formed on the first active layer 410 to electrically insulate the second active layer 510.
  • a second active layer 510 may be formed on the second buffer layer 300b, and the second active layer 510 may be formed on the second buffer layer 300b by low temperature growth (LTG) InGaAs. It may be composed of a thin film or a hetero-layer thin film (for example, LTG-InGaAs / InAlAs MQW).
  • a portion of the second active layer 510 and the second buffer layer 300b where the Tx 400 is formed may be removed to expose the first active layer 410 to the portion where the Tx 400 is formed.
  • the second buffer layer 300b and the second active layer 510 may be removed by photolithography using chemical etching or dry etching.
  • a Tx 400 may be formed on the exposed first active layer 410 and a photoconductive antenna 520 functioning as the Rx 500 may be formed on the second active layer 510.
  • the Tx 400 may be formed of a metal line having a predetermined thickness and line width, and may be formed of a metal material such as Au or Ti.
  • the photoconductive antenna 520 is formed to be parallel to the Tx 400 at a predetermined interval, and the first active layer 410 and the first buffer layer 300a for electrical insulation between the Tx 400 and the Rx 500. Can be removed.
  • the Tx 400 and the photoconductive antenna 520 may be configured to have a predetermined shape, for example, a metal line of the Tx 400 or an electrode pad 522 constituting the photoconductive antenna 520. ),
  • the metal parallel transmission line 524 and the central projection 526 can be shaped by patterning by standard lithography.
  • the voltage-free transceiver finally manufactured in the above order is shown in FIGS. 6 and 7.
  • 6 and 7 have been omitted since the thicknesses of the first and second buffer layers 300a and 300b and the first and second active layers 410 and 510 are very thin compared to the substrate 200 in consideration of actual specifications. It is formed as shown in FIG.
  • FIG. 8 shows a second active layer 510 forming a receiver (Rx) 500 in a no-voltage transceiver operating in a THz band according to the present invention, respectively comprising a low-temperature growth (LTG) InGaAs thin film and an InGaAs / InAlAs-MQW layer. And, it is an experimental graph showing the result of detecting the THz wave using the deposited Rx (500).
  • LTG low-temperature growth
  • the LTG-MQW can detect a signal about 10 times larger than the case of the LTG-thin film.
  • FIG. 9 is a graph illustrating a noise change after generating a THz wave due to a p-D effect with a voltageless transceiver operating in the THz band according to the present invention.

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Abstract

본 발명은 테라헤르츠(terahertz, THz) 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에 대한 것이다. 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버는, 기판; 상기 기판상에 위치하고, THz파는 전송하고 바이어스 전압을 사용하지 않는 송신기(Tx); 및 상기 Tx와 일정 간격 이격되게 위치하고 THz파를 검출하는 수신기(Rx)를 포함하되, 상기 Tx는 일정한 두께 및 선폭을 가지는 금속 선로로 구성되고, 상기 Rx는, 상기 기판 상에 위치하는 제2 활성층; 및 상기 제2 활성층 상에 위치하는 광전도 안테나를 포함한다. 상기한 구성에 의해 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버는 바이어스 전압을 사용하지 않아 신호대 잡음비가 현저히 개선되고, 피크전력이 낮은 레이저 펄스를 사용할 수 있으며, 인체를 대상으로 해야 하는 의료진단용 장비에 적용되는 경우에도 안전하게 사용될 수 있다.

Description

테라헤르츠 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버
본 발명은 테라헤르츠(terahertz, THz) 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 단일 기판 상에 THz파 송신기(transmitter: Tx) 및 수신기(receiver: Rx)를 형성함으로써, 단일칩 내에서 THz파를 전송하고 검출할 수 있는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에 관한 것이다.
테라헤르츠(terahertz, THz)파는 적외선과 마이크로파 사이의 100GHz에서 10THz 범위의 주파수를 가진 전자기파로서, 최근 첨단기술의 발전에 힘입어 미래의 전파자원으로 인정되면서 세계적으로 점점 많은 주목을 받고 있으며, IT(Information Technology), BT(Bio Technology) 등과의 융합을 통한 다양한 응용분야에서 그 중요성을 더해가고 있다.
특히, THz파는 가시광선처럼 직진하면서 라디오파처럼 다양한 물질을 잘 투과하므로, 물리, 화학, 생물학, 의학 등의 기초과학뿐만 아니라, 위조지폐, 마약, 폭발물, 생화학무기 등의 감지에 사용되며, 산업 구조물을 비파괴적으로 검사할 수 있어서 일반 산업, 국방, 보안 등의 분야에서도 앞으로 광범위하게 활용될 것으로 기대되고 있다. 또한, 정보통신 분야에서도 40Gbit/s 이상의 무선통신, 고속 데이터 처리, 위성간 통신에 THz 기술이 광범위하게 사용될 것으로 기대되고 있다.
이와 같은 THz파는 그 발생 방법에 따라서 연속형과 펄스형으로 나눌 수 있다. 펄스형 THz파는 펨토초(femtosecond, fs: 10-15초) 펄스 레이저를 특수한 반도체 또는 광학결정에 조사하여 THz파를 발생시키는 방법으로, 이에 대하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 fs 펄스 레이저를 광전도형 안테나에 조사하여 펄스형 THz파를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광전도 안테나(100)는 절연체(insulator)나 반절연성(semi-insulating, SI) 반도체 기판(110) 위에 형성된 광전도성 동종박막 (epilayer) 또는 이종적층 박막 (hetero multiple epilayer)(120)과 상기 광전도성 박막(120) 위에 형성된 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로(130)를 포함한다. 여기에서, 상기 금속 평행 전송선로(130)의 중앙 영역에 돌출된 부위는 쌍극자 안테나(dipole antenna)로서 작용한다.
상기 금속 평행 전송선로(130)에 적당한 크기의 바이어스 전압(bias voltage, Vb)을 인가한 상태에서, 시간 폭이 100fs 이하인 레이저 펄스광을 사용하여 간헐적으로 여기(excitation)시키면, 광흡수에 의한 전자(electron)와 정공(hole)의 캐리어(carrier)가 생성되어 순간적으로 금속 평행 전송선로(130)를 통해 전류가 흐르고, 이 전류의 시간 미분값에 비례하는 THz파가 발생된다.
이렇게 박막(120)에서 발생된 THz파는 기판(110) 방향으로 방사되며, 이와 같이 방사된 THz파의 펄스폭은 1 피코초(picosecond, ps: 10-12초) 이하이고, 30fs 이상의 범용 펄스 레이저를 사용하여 광여기시킬 경우 퓨리에 변환(Fourier transform) 하여 얻는 스펙트럼은 0 ~ 수 THz 주파수까지의 넓은 대역을 갖게 된다.
이와 같이 기판(110) 후면으로 강한 THz파가 발생되기 위해서는 광전도 안테나(130)에 fs 레이저 여기광을 집속렌즈(focusing lens)를 통해 집속시키고 기판(110) 후면에 밀착된 반구렌즈(hemi-spherical lens)를 통하여 평행시준(collimation)시켜 방사시켜야 한다.
하지만, 종래의 THz파 송수신 장치는 각각의 광전도 안테나를 탑재한 송신기(Tx)와 수신기(Rx)가 분리된 개별소자로 THz파를 발생 또는 검출할 수 있도록 구성함으로써, 시스템의 규격이 커지게 되고 장치의 소형화 및 응용에 제한이 있었다. 이러한 제한을 보완하기 위하여 Tx 및 Rx 개별소자를 단일칩에 집적하는 시도가 있었으나, 종래의 시도된 방법은 THz 발생에 인가하는 바이어스 전압(도 1, Vb)에 의해서 잡음(noise)이 크게 증가하여 신호대 잡음비가 매우 낮은 문제 때문에 실용화되지 못하였다.
한편, 바이어스 전압을 사용하지 않고 단일장치로 THz파를 전송하고 검출하는 THz 트랜스시버(transceiver)가 있지만, 이러한 THz파 트랜스시버로 THz파를 발생시키기 위해서는 반복률이 수 킬로헤르츠(kilohertz, kHz) 이하이고 피크전력(peak power)이 높은 레이저 펄스를 사용해야 하는 문제점이 있었다.
또한, 이러한 종래의 THz파 송수신 장치를 인체를 대상으로 해야 하는 의료장비에 장착할 경우에는, 전압 인가에 의한 안전성 문제가 제기될 수 있으며, 또한 높은 전력의 펄스 레이저를 사용할 경우에는 인체에 위해를 초래할 수 있는 문제점이 발생한다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 국내등록특허 제10-1145778호(2012년 05월 07일 등록)
(특허문헌 2) 국내공개특허 제10-2009-0056764호(2009년 06월 03일 공개)
본 발명은 단일칩 상에 테라헤르츠(THz) 송신기(Tx) 및 수신기(Rx)를 집적함으로써, 단일칩 내에서 THz파를 전송하고 검출할 수 있는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 바이어스 전압을 사용하지 않아 신호대 잡음비가 현저히 개선되고, 피크전력이 낮은 레이저 펄스를 사용할 수 있는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 인체를 대상으로 해야 하는 의료장비에 적용되는 경우에도 안전하게 사용될 수 있는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버는, 기판; 상기 기판 상에 위치하고, 테라헤르츠(terahertz, THz)파는 전송하고 바이어스 전압을 사용하지 않는 송신기(Tx); 및 상기 Tx와 일정 간격 이격되게 위치하고 THz파를 검출하는 수신기(Rx)를 포함하되, 상기 Tx는 일정한 두께 및 선폭을 가지는 금속 선로로 구성되고, 상기 Rx는 상기 기판 상에 위치하는 제2 활성층(active layer); 및 상기 제2 활성층 상에 위치하는 광전도 안테나를 포함한다.
상기 수신기(Rx)는 동종박막 또는 다층양자우물층(Multi Quantum Well : MQW층)을 포함하는 이종적층박막으로 형성될 수 있다.
상기 활성층은 단일칩 상에 정상온도에서 성장한 제1 활성층과 저온성장(LTG) 제2 활성층의 복층으로 구성될 수 있다.
상기 Tx는 상기 기판 상에 형성된 정상온도에서 성장한 InGaAs의 박막; 및 상기 기판 상에 형성된 MQW를 포함하는 이종적층박막을 포함할 수 있다.
상기 이종적층박막의 상부와 측면에는 단층 또는 복층의 도전성 물질로 형성되는 금속패드가 구비될 수 있다.
상기 기판 상에는 제1 버퍼층 또는 제2 버퍼층이 더 형성될 수 있다.
상기 광전도 안테나는 Rx의 제2 활성층 상부와 측면에 단층 또는 복층의 도전성 물질로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 테라헤르츠(THz) 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버는 단일 기판 상에 THz파 송신기(Tx) 및 수신기(Rx)를 집적함으로써, 단일칩 내에서 THz파를 전송하고 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버는 바이어스 전압을 사용하지 않아 신호대 잡음비가 현저히 개선되고, 피크전력이 낮은 레이저 펄스를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버는 인체를 대상으로 해야 하는 의료장비에 적용되는 경우에도 안전하게 사용될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예는, 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과를 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에서 fs 레이저를 광전도 안테나에 조사하여 펄스형 THz파를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버를 보여주는 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에서 수신기(Rx)의 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버의 수신기(Rx)로 THz파를 검출한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에서 광-뎀버(photo-Dember, p-D) 효과로 THz파를 발생시킬 경우 대표적인 잡음신호와 레이저 출력에 따른 신호전류(peak-to-peak current)에 관한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에서 p-D 효과를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다.
상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부 등의 용어는 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 사용되는 것이다. 예를 들어, 편의상 도면상의 위쪽을 상부, 도면상의 아래쪽을 하부로 명명하는 경우, 실제에 있어서는 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 상부는 하부로 명명될 수 있고, 하부는 상부로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에 대한 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버의 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버를 보여주는 평면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에서 수신기(Rx)의 단면도이고, 도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버의 수신기(Rx)로 THz파를 검출한 결과를 보여주는 그래프이고, 도 9는 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에서 광-뎀버(photo-Dember, p-D) 효과로 THz파를 발생시킬 경우 대표적인 잡음신호와 레이저 출력에 따른 신호전류(peak-to-peak current)에 관한 그래프이며, 도 10은 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에서 p-D 효과를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버는 단일 기판(200)상에 THz 송신기(Tx)(400) 및 수신기(Rx)(500)를 집적하여 THz파를 전송하고 검출할 수 있도록 구성한 것으로, 개별소자가 아닌 단일칩 내에서 THz파를 전송하고 검출할 수 있는 장치이다. 도 2 내지 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버는 기판(200), 상기 기판(200)상에 형성된 Tx(400) 및 Rx(500)를 포함한다.
상기 기판(200)은 상부에 이후 공정에서 Tx(400) 및 Rx(500)를 형성하는 기판으로, 반절연성 반도체 또는 절연체일 수 있다. 상기 기판(200)은 SI-GaAs 또는 SI-InP, 그리고 기타 Tx 또는 Rx 상부 층구조를 형성시킬 수 있는 절연체 기판일 수도 있다.
본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에서 상기 기판(200) 상에는 제1 버퍼층(300a)이 더 형성될 수 있다. 상기 제1 버퍼층(300a)은 InP 또는 인듐갈륨비소(indium gallium arsenide, InGaAs) 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 버퍼층(300a)은 추후 공정에서 형성되는 활성층인 InGaAs 박막 등이 상기 기판(200) 상에서 용이하게 성장되도록 하는 완충 역할을 한다.
상기 Tx(400)는 기판(200) 또는 제1 활성층(410) 상에 위치하고, THz파를 전송하기 위하여 구비될 수 있다. 상기 Tx(400)는 일정한 두께 및 선폭을 가지는 금속 선로로 구성되고, 금(gold, Au), 티타늄(titanium, Ti) 또는 이들의 적층으로 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 Tx(400)의 금속선로의 선폭(즉, 제1 활성층(410)과 수평한 방향을 기준으로 한 상기 Tx(400)의 선폭)은 10㎛ 내지 300㎛로 형성될 수 있다. 또한, 상기 Tx(400)의 금속선로의 두께(즉, 제1 활성층(410)과 수직한 방향을 기준으로 한 상기 Tx(400)의 두께)는 Au는 100nm 내지 500nm, Ti은 10nm 내지 50nm로 형성될 수 있다.
상기 Tx(400)는 광-뎀버(p-D) 효과를 이용하여 THz파를 발생시키는 것으로, 제1 활성층(410)은 InGaAs계 동종박막 또는 이를 포함하는 이종적층 박막, 예를 들면, InGaAs/InAlAs 다층양자우물(MQW) 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1 활성층(410)의 상부 및 측면에는 금속패드(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 금속패드는 단층 또는 적층의 도전성 물질로 구성될 수 있고, 상기 도전성 물질은 Tx의 금속선로와 동일한 재료로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에서 상기 송신기(400)는 p-D 효과를 이용하여 THz파를 발생하게 되는데, 도 10을 참조하면, 상기 p-D 효과는 제1 활성층(410)에 레이저 펄스를 조사하면 전자(-)와 정공(+)이 생성되고, 상기 전자와 정공의 캐리어이동도(carrier mobility) 차이에 의해 도 10 (a)와 같이 쌍극자모멘트(dipole moment, P Dember)가 박막(410)면과 수직으로 형성되어 박막(410)면과 평행한 방향으로 THz파가 발생되며, 도 10 (b)와 같이 금속패드의 일측에 레이저 펄스를 조사하면 P Dember가 박막(410)면과 평행하게 형성되어 박막(410)면과 수직한 방향으로 THz파가 발생된다.
상기 Rx(500)는 제2 활성층(510) 상에 위치하고, 상기 Tx(400)와 일정 간격 이격된 일측에 위치하며, 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버로 전송되는 THz파를 검출하기 위하여 구비될 수 있다.
예를 들어, 상기 Tx(400) 및 Rx(500)는 수평거리가 10㎛ 내지 500㎛ 이격되게 구성할 수 있다. 상기 Rx(500)는 상기 제1 활성층(410) 상에 형성된 제2 활성층(510)상에 위치한다.
상기 제2 활성층(510)은 저온에서 성장된(low-temperature grown, LTG) InGaAs 계 동종박막 또는 이종적층박막으로 구성될 수 있으며, 제1 활성층(410)과 제2 활성층(510) 사이에는 제2 버퍼층(300b)이 삽입될 수 있다.
상기 광전도 안테나(520)는 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버로 전송되는 THz파를 검출하기 위하여 구비될 수 있다. 상기 광전도 안테나(520)는 제2 활성층(510)의 상부 및 측면에는 금속패드(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 금속패드는 단층 또는 적층의 도전성 물질로 구성될 수 있고, 상기 도전성 물질은 Rx와 동일한 재료로 형성될 수 있다.
상기 광전도 안테나(520)는 중앙돌출부(526)를 갖는 금속 평행 전송선로(524)와, 상기 금속 평행 전송선로(524)의 양단에 대칭되게 형성된 전극패드(522)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 금속 평행 전송선로(524)의 중앙영역에 형성된 돌출부(526)는 쌍극자 안테나로서 작용한다. 또한, 상기 금속 평행 전송선로(524) 양단에 형성된 전극패드(522)는 외부 측정기와의 전기적 연결을 위한 전선이 연결될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버의 제조방법에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 5와 같이 기판(200)이 마련된다. 상기 기판(200)은 절연체 또는 반절연성 반도체 기판(200)일 수 있고, 예를 들어 SI-GaAs 또는 SI-InP 등이나 사파이어(sapphire) 등 절연성 재료로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 기판(200)상에 제1 버퍼층(300a)을 형성할 수 있다. 상기 제1 버퍼층(300a)은 InGaAs계 물질로 형성될 수 있다.
그 다음으로, 상기 제1 버퍼층(300a) 상에 제1 활성층(410)을 형성할 수 있으며, 상기 제1 활성층(410)은 상기 제1 버퍼층(300a) 상에 InGaAs계 동종박막 또는 이종적층박막(예를 들어 InGaAs/InAlAs MQW)으로 구성할 수 있다. 제1 활성층(410) 상부에는 제2 활성층(510)과의 전기적 절연을 위하여 제2 버퍼층(300b)을 형성할 수 있다.
그 다음으로, 상기 제2 버퍼층(300b) 상에 제2 활성층(510)을 형성할 수 있으며, 상기 제2 활성층(510)은 상기 제2 버퍼층(300b) 상에 저온성장(LTG) InGaAs 계 동종박막 또는 이종적층박막(예를 들어 LTG-InGaAs/InAlAs MQW)으로 구성할 수 있다.
상기 Tx(400)가 형성되는 부분의 제2 활성층(510)과 제2 버퍼층(300b) 일부를 제거하여 Tx(400)가 형성되는 부분에 제1 활성층(410)이 노출되게 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 버퍼층(300b)과 제2 활성층(510)은 화학적 식각(chemical etching 또는 건식식각(dry etching)을 이용하여 포토리소그래피 기법으로 제거될 수 있다.
다음으로, 노출된 상기 제1 활성층(410) 상에 Tx(400)를 구성하고, 상기 제2 활성층(510) 상에는 Rx(500)로 기능하는 광전도 안테나(520)를 형성할 수 있다. 상기 Tx(400)는 일정한 두께 및 선폭을 가지는 금속 선로로 구성될 수 있고, Au 또는 Ti 등의 금속 재질로 형성될 수 있다. 상기 광전도 안테나(520)는 상기 Tx(400)와 일정 간격 이격되게 나란히 형성하고, Tx(400)과 Rx(500) 사이에는 전기적 절연을 위하여 제1 활성층(410)과 제1 버퍼층(300a)을 제거할 수 있다.
상기 Tx(400) 및 광전도 안테나(520)는 일정한 형상을 가지도록 구성될 수 있는데, 예를 들어, 상기 Tx(400)의 금속 선로나, 광전도 안테나(520)를 구성하는 전극패드(522), 금속 평행 전송선로(524) 및 중앙돌출부(526)는 표준리소그래피 방법으로 패터닝하여 형상화할 수 있다.
상기 순서로 최종 제작된 무전압 트랜스시버를 도 6과 도 7에 나타내었다. 실제적인 규격을 고려할 때 기판(200)에 비하여 제1, 제2 버퍼층(300a, 300b) 및 제1, 제2 활성층(410, 510)의 두께가 매우 얇으므로 도 6과 도 7에는 생략하였으나, 도 2와 같이 형성되어 있다.
실험예 1
도 8은 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버에서 수신기(Rx)(500)를 형성하는 제2 활성층(510)을 저온성장(LTG) InGaAs 박막과 InGaAs/InAlAs-MQW 층으로 각각 구성하고, 증착된 Rx(500)를 이용하여 THz파를 검출한 결과를 보여주는 실험 그래프이다.
도 8을 참조하면, LTG-MQW가 LTG-박막으로 구성한 경우보다 약 10배 큰 신호를 검출할 수 있음을 보인다.
실험예 2
도 9는 본 발명에 따른 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버로 p-D 효과에 의한 THz파를 발생시킨 후 잡음 변화를 관찰한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 강한 THz파를 발생시키기 위하여 레이저 펄스의 출력을 높인 경우에도 잡음의 세기는 거의 변화하지 않음을 알 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 테라헤르츠(terahertz, THz)파는 전송하고 바이어스 전압을 사용하지 않는 송신기(Tx); 및
    상기 Tx와 일정 간격 이격되게 위치하고 THz파를 검출하는 수신기(Rx)를 포함하되,
    상기 Tx는 일정한 두께 및 선폭을 가지는 금속 선로로 구성되고,
    상기 Rx는,
    상기 기판 상에 위치하는 제2 활성층; 및
    상기 제2 활성층 상에 위치하는 광전도 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수신기(Rx)는 동종박막 또는 MQW를 포함하는 이종적층박막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은 단일칩 상에 정상온도에서 성장한 제1 활성층과 저온성장(LTG) 제2 활성층의 복층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 Tx는,
    상기 기판 상에 형성된 정상온도에서 성장한 InGaAs의 박막; 및
    상기 기판 상에 형성된 MQW를 포함하는 이종적층박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이종적층박막의 상부와 측면에는 단층 또는 복층의 도전성 물질로 형성되는 금속패드가 구비된 것을 특징으로 하는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 상에는 제1 버퍼층 또는 제2 버퍼층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 광전도 안테나는 MQW를 포함하는 이종적층박막 상부와 측면에는 단층 또는 복층의 도전성 물질로 형성되는 금속패드가 구비된 것을 특징으로 하는 THz 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버.
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