In this dissertation, several types of ultra-low power quantum-effect VCOs using resonant-tunneling diodes (RTDs) have been proposed and implemented based on an InP-based RTD/HBT MMIC technology. The proposed RTD-based VCOs include fundamental-frequency VCOs such as a single-mode RTD VCO and a differential-mode RTD VCO, and a second-harmonic frequency push-push RTD VCO. Particularly, a push-push RTD VCO with a symmetric inductor instead of typically used dual inductors has been also implemented to exploit its area-reduction property. Compared to the conventional-type VCOs, the proposed RTD VCOs have shown ultra-low dc-power consumption properties with excellent figures of merit (FOMs) due to both the inherent negative differential resistance (NDR) characteristics and low bias voltage of the high-speed InP-based RTD.
For the developed InP-based RTD/HBT MMIC technology, representative characteristics of the fabricated active devices are as follows. The RTD showed a peak voltage and current of 0.29 V and 0.73 kA/c$m^{2}$, respectively, with a PVCR of 13. The cutoff frequency of the RTD was 61.4 GHz. The HBT with an emitter area of $1.5\times4$ $\mu$$m^{2}$ showed a peak $f_T/f_{max}$ of 100/63 GHz, respectively, with a maximum dc current gain of 95. As for passive devices, varactor diodes with various junction areas have been implemented by using a base-collector junction of the HBT. The spiral inductors with various turns and inductances were formed by using a top interconnect metal layer. The interdigitated capacitor used as a bypass capacitor was fabricated instead of a MIM capacitor due to the simple implementation.
For practical IC applications, linear analyses for stabiliry criteria and temperature-dependent characterization have been conducted. In particular, a submicron-emitter RTD, targeted in this works, satisfied the stability criteria well due to the suppression of undesired oscillation modes. The temperature-dependent characteristics of Ka-band push-push RTD VCO were analyzed with a temperature range from 30 to $80\,^{\circ}{\rm C}$. The averaged oscillation frequency shift with the temperature was obtained to be -9.8 MHz/K.
The experimental results of the RTD VCOs showed that the core dc-power consumption of 87 $\mu$W for the fundamental-frequency differential-mode RTD VCO is less than 1/18 of that for CMOS VCOs in the Ku band and the total dc-power consumption of 85 $\mu$W for the second-harmonic push-push RTD VCO is as low as 1/170 of that for the fundamental-frequency CMOS VCOs in the Ka band. In addition, the core dc-power consumption of the Ku-band single-mode RTD VCO, as a basic RTD VCO topology, was obtained to be 59 $\mu$W, and a chip area of the Ka-band push-push RTD VCO with a symmetric inductor was reduced by about 40 % almost without performance degradation.
본 연구에서는 기존 LC VCO의 저전력소모의 한계를 극복하기 위해 나노/양자효과 소자들 중 하나인 RTD (resonant tunneling diode)를 이용하여 10 GHz oscillation 주파수 이상에서 다양한 저전력 Ku/Ka band RTD-based VCO들을 개발하였다. 이와 같은 다양한 초저전력 RTD-based VCO를 개발하기 위해 먼저 InP-based RTD/HBT 집적회로 제작기술을 KAIST 내에서 자체적으로 개발 하였다. 능동 소자기술의 경우, 기존의 InP HBT에 stack layer로 에피 성장된 RTD/HBT layer를 이용하여 제작하였고, RTD의 DC 성능으로는 peak voltage ($V_p$) 와 peak current ($I_p$)는 각각 0.29 V 와 0.73 kA/c$m^{2}$ 이었고, PVCR은 13이었다. RTD의 RF 성능의 cutoff frequency인 $f_{max}$는 61.4 GHz였다. $1.5\times4$ $\mu$$m^{2}$ emitter를 갖는 HBT의 경우 maximum dc current gain은 95 였고, peak $f_T/f_{max}$는 100GHz/63GHz였다. IC 기술의 경우, varactor는 HBT의 base-collector junction 을 이용해 다양한 크기로 제작 및 특성 분석을 하였고, inductor는 top interconnect metal 을 이용해 다양한 turn수 및 inductance 값을 갖는 spiral inductor를 제작 후 특성 분석을 하였다. 그리고, single-mode RTD VCO의 bias line 관련 parasitic 성분에 대한 bypass capacitor로써, MIM capacitor 대신 interdigitated capacitor를 제작하고 분석하였는데, 이는 추가적인 공정을 위한 mask step을 필요치 않고 제작이 용이하기 때문에 사용하였다.
RTD-based VCO의 negative differential resistance cell인 RTD는 외부의 feedback 회로를 이용하는 cross-coupled CMOS VCO의 경우와는 다른 고유한 NDR 특성을 보이며, 또한 DC 부터 고주파까지의 전체 영역에서 NDR이 발생되는 특성을 지니므로 안정적인 VCO 개발을 위해 선형분석등을 통한 stability 문제의 해결이 필요하게 된다. 선형 분석은 소신호 영역에서 이루어지며 VCO의 start-up 및 존재할 수 있는 mode들에 대한 stability 특성을 제시해 준다. 이러한 선형 분석은 VCO의 선형화된 등가모델에서 characteristic equation을 얻고 root locus 분석을 통해 수행 되었다. 이를 바탕으로 single-/differential-mode RTD VCO 및 push-push RTD VCO에 대한 start-up 조건 및 common mode suppression 조건을 얻을 수 있었다. 본 연구에서 사용된 submicron RTD의 경우 추가적인 stabilization 회로 없이 common mode suppression 조건이 만족됨을 알았다.
다음으로 앞서 개발된 공정기술 및 VCO 이론을 바탕으로 10 GHz 이상의 실제적인 초저전력 회로 응용에 RTD 기반의 VCO들의 가능성을 보기 위해 다양한 Ku/Ka-band 의 InP 기반의 RTD VCO들이 개발되었다. 먼저 기존의 저전력 CMOS 기술을 이용한 10 GHz 이상의 oscillation 주파수 VCO에서는 1 mW 이상의 전력소모를 보여 왔으나, 본 연구에서는 Ku-band differential-mode RTD VCO의 제작 및 측정을 통해 우수한 figure of merit (FOM)을 유지하면서, 87 $\mu$W의 core 전력 소모를 이룰 수 있었다. 이는 기존의 최신기술의CMOS VCO에 비해 1/18만큼 낮은 전력소모에 해당하는 값으로, 이를 통해RTD VCO의 초저전력 가능성을 실험적으로 제시하였다. 또한, 회로 topology 적으로 최소전력 소모를 보이는 single-mode RTD VCO의 경우, 실험적으로 59 $\mu$W의 최소 소비전력 특성을 나타냈다. 이들은 모두 buffer를 필요로 하는 fundamental frequency VCO로 resonator의 quality factor 저하 및 추가적인 전력 소모를 발생시키기 때문에 RTD VCO의 전체 전력소모를 최소화 하는데 제한이 따른다. 이를 극복하기 위해 push-push principle을 이용한 push-push RTD VCO를 제안 및 제작을 하였으며, Ka-band push-push RTD VCO의 경우 85 $\mu$W의 전체 소비전력을 달성하였다. 이는 기존 최신기술의CMOS VCO에 비해 전체 소비전력에서1/170만큼 낮은 전력소모에 해당하는 값이다. 이를 통해 RTD VCO의 실제 회로응용에 대한 초저전력 가능성을 실험적으로 제시할 수 있었다. 특히, push-push RTD VCO 의 경우, 실제 회로응용을 위하여 topology 측면에서 resonator를 위한 기존의 dual inductor대신 symmetric inductor를 사용하여 Ka-band push-push RTD VCO의 경우 거의 40% 의 칩면적 감소를 달성하였다. 또한, 30도에서 80 사이의 온도변화에 따른 Ka-band push-push RTD VCO의 특성 분석을 수행하였다. 얻어진 온도에 따른 평균 oscillation shift는 28.8 GHz 영역에서 -9.8 MHz/K을 나타내었다.
