The development of RTD-based multiplexing ICs based on the Resonant Tunneling Diode (RTD) has been described and discussed in this thesis. The unique Negative Differential Resistance (NDR) characteristics arising from quantum-effects of the RTD enable to develop a novel RTD-based circuit. In order to design and simulate the RTD-based digital ICs, the device modelling of RTD and HBT is performed based on the measured DC and RF results. The passive devices, such as a resistor and interconnect lines which become more important in the design of high-speed digital ICs, are modelled. In order to develop the RTD-based multiplexing ICs, the RTD-based CML-MOBILE which acts as a RZ D-flip flop and a RZ-to-NRZ selector IC have been developed. The operation of the fabricated CML-MOBILE has been confirmed up to 25 Gb/s with the DC low-power consumption of 11 mW for the first time. The RZ-to-NRZ selector IC which has a property of RZ-to-NRZ conversion for the RTD-based multiplexer IC has been proposed. Based on the developed CML-MOBILE ICs and RZ-to-NRZ selector ICs, the new 2:1 RTD-based multiplexer IC topology which has low DC power consumption and high operation speed has been proposed. The 2:1 RTD-based multiplexer IC has been developed by using an InP RTD/HBT MMIC technology. The multiplexing operation of the fabricated quantum-effect IC has been confirmed up to 45 Gb/s for the first time as a monolithic technology based on the quantum-effect devices. The DC-power consumption is only 23 mW which is found to be 1/4 of the current state-of-the-art conventional transistor-based multiplexing ICs.
Along with the study for achieving high performances of the RTD/HBT digital ICs, the investigation on temperature dependence of the RTD-based digital IC is also important for the reliable and practical IC operation. In this thesis, the temperature dependence characteristics of the InP-based RTD/HBT multiplexer ICs has been investigated. The measurement for characterizing the RTDs has been performed in a temperature range between 25 ℃ to 150 ℃. The RTD/HBT digital ICs show the reliable thermal stability compared to conventional device-based digital ICs. The results demonstrate the potential of the RTD-based digital IC for reliable and practical high-speed digital IC applications.
The new 4:1 RTD/HBT MUX IC based on the RTD/HBT technology has been designed based on the RTD-based 2:1 MUX ICs. By using two 2:1 MUX ICs and a conventional selector ICs, the device count of the circuit can be significantly decreased. The device count of the proposed 4:1 MUX IC is about 1/3 of the conventional circuit. The operation of the proposed circuit has been confirmed up to 40 Gb/s by the simulation. The DC power consumption of the proposed 4:1 MUX IC is found to be only 72 mW at a power supply voltage of -3 V by simulation.
최근 들어 나노 스케일에서의 양자 효과를 이용한 다양한 소자들이, 기존의 CMOS, BJT, BiCMOS 등을 대체할 수 있는 유력한 후보로 많은 관심을 받고 있다. 기존 소자와 구별되는 양자 효과 소자의 중요한 특징은 부성미분 저항을 보이는 비선형의 I-V 특성을 가진 것으로, 이러한 특성을 이용하면, 기존 회로와 같은 동작을 하면서 소자 수를 획기적으로 줄여 전력 소모와 동작 속도 면에서 향상된 성능을 가지는 새로운 개념의 회로를 개발할 수 있다. 특히 다양한 양자 효과 소자 중에서, 저온뿐만 아니라 300K 이상의 온도에서도 안정적으로 동작하며, 다른 초고속 소자인 HBT나 HEMT등과 같이 집적할 수 있는 Resonant Tunneling Diode (RTD)가 실용적인 차세대 초고속/저전력 회로 개발에 이용하기에 가장 적합하다고 판단된다. 본 연구에서는 RTD와 HBT 기반의 집적회로 기술을 이용하여, 향후 초고속 통신 시스템에 응용할 수 있는 초고속 디지털 회로 의 설계 및 특성 분석에 대한 연구를 수행하였다.
RTD 기반의 회로 설계와 Simulation 을 위해서, 핵심적인 소자인 RTD와 HBT, 그리고 Passive 소자인 저항과 연결 도선에 대한 모델을 구현하였다. 특히 RTD의 소신호 모델링의 경우, 특정 전압(Valley voltage)에서 모델링 수행을 통하여 구성 파라메터값을 구하는 방식으로 정확한 모델링을 수행하였다.
이번 연구에서는 대표적인 초고속 통신 시스템의 핵심부품으로 40 Gb/s 급 Multiplxer IC를 개발하였다. 기존 디바이스 기술 기반의 Multiplxer IC는 CML 또는 ECL 회로 구성방식의 latch 기반 방식으로 디바이스 숫자와 전력소모가 크기에, 이를 줄일 수 있는 새로운 회로 개발 방식이 요구된다. 기존 Multiplexer의 Retiming과 latch 부분을 대체할 수 있는 RTD 기반의 회로로서 CML-MOBILE을 개발하였다. RTD 기반의 CML-MOBILE은 기존 RTD 기반 MOBILE 회로를 개선한 방식으로, 입력 전압 조절, 회로 속도, 기존 회로 기술과의 호완성등에서 장점을 가진다. 이번 연구에서 개발된 CML-MOBILE은 25 Gb/s까지의 동작 속도를 확인하였고 11 mW 의 우수한 저전력 특성을 보였다. 또한 MOBILE IC의 동작 속도 한계에 대한 분석을 수행하였다. 기존 Multiplexer의 selector를 대체할 수 있는 회로로 RZ-to-NRZ selector IC를 최초로 제안하고 구현하였다. RZ-to-NRZ selector IC는 기존의 selector IC에 비해 바이어스 전압과 전력 소모를 줄일 수 있는 구조를 가진다.
앞에서 개발된 CML-MOBILE IC와 RZ-to-RNZ selector IC를 기반으로 RTD 기반 2:1 Multiplexer topology를 처음으로 제안하였고, 제안된 topology는 InP RTD/HBT MMIC기술을 이용하여 제작되었다. 제안된 Multiplexer IC는 45 Gb/s 까지 동작 속도를 확인하였다. RTD 기반 Multiplexer에 사용된 소자수는 19이며, 전력소모는 23 mW로 기존의 latch 기반 Multiplexer에 비해 소자수는 1/2 정도로 감소되었으며, 전력 소모는 1/4로 획기적으로 향상된 결과를 얻었다. 실용적이며, 안정적인 동작의 RTD 기반의 회로 개발을 위해서는 제작된 회로의 온도 특성 분석이 필수적이다. 이번 연구에서는 제작된 Multiplexer IC의 온도 특성을 알아보았다. 25℃부터 150℃까지의 동작 특성을 측정 하였으며, 실용적인 회로로서 필요한 온도인 75℃까지 안정적으로 동작함을 확인하였다.
마지막으로, 개발된 RTD 기반 2:1 Multiplexer를 바탕으로 4:1 Multiplexer를 제안하였다. 제안된 multiplexer의 총 소자수는 69개로 기존의 Multiplexer의 소자수에 비해 1/2로 감소되었다. Simulation을 통하여 회로의 동작 속도를 40 Gb/s까지 확인 하였으며, 이 때 전력 소모는 69 mW로 기존의 Multiplexer에 비해 대폭 감소된 전력 소모 특성을 보인다.
