Low-power monolithic amplifiers are a critical building block in short-range wireless sensor systems for patient monitoring, implanted biomedical, and radio frequency identification applications. For wireless sensor networks, ultra-low dc-power consumption is a key design issue because of the limited capacity of the small-size battery power source. By utilizing a variety of low-power design techniques, low dc-power consumption in the deep milli-watt range has been attained in conventional transistor-based amplifiers. In order to reduce the power dissipation significantly to sub-mW levels, a reflection-type amplifying topology using negative differential resistance (NDR) devices can be employed. In this thesis, reflection-type low power quantum-effect amplifiers using resonant-tunneling diodes (RTDs) have been for the first time designed and implemented based on an InP-based MMIC technology. Compared to the conventional-type amplifiers, the fabricated RTD amplifiers have shown ultra-low dc-power consumption property with a high figure of merit (FOM) of the gain-to-dc power consumption ratio due to the inherent NDR characteristics of the high-speed InP-based RTD.
For the developed InP-based RTD MMIC technology, representative characteristics of the fabricated active and passive devices are as follows. The RTD shows a peak voltage of 0.28 V and a peak current of $60 kA/cm^2$ with a peak-to-valley current ratio (PVCR) of more than 11. The cutoff frequency of the RTD was 77 GHz. The PVCR obtained by the optimized wet-chemical etching process is relatively high at sub-mA peak current levels, compared to previously reported results of the InAs-subwell RTDs. As for passive devices, the spiral inductors, MIM capacitors, and thin film resistors have been implemented for realizing the high-performance quadrature hybrid couplers, which are to be monolithically integrated in the RTD-based low-power amplifier. The hybrid coupler with an impedance transformation ratio of 8 shows a return loss and isolation of less than -16 dB and -20 dB, respectively.
The experimental results of the RTD-based amplifiers show that the dc-power consumption of 125 μW and FOM of 83.2 dB/mW obtained from the fabricated quantum-effect amplifier are about 6.4 and 6.5 times lower than those of transistor-based low-power amplifiers in the 5 GHz frequency band, respectively. The excellent dc-power consumption and FOM are attributed to the performance of the fabricated InP-based RTDs with an emitter mesa area of $0.9 \times 0.9 μm^2$ at $V_{BIAS}$ = 0.36 V and $I_{BIAS}$ = 173 μA exhibiting a high PVCR of 11.2 with a low peak current of 430 μA.
For practical IC applications, the noise figure and RF input/output power characteristics of the fabricated RTD-based amplifiers were measured and analyzed. The minimum noise figure and maximum linear output power were measured to be 5.08 dB and -24 dBm, respectively. The temperature-dependent characteristics of the RTD amplifier were for the first time investigated with a temperature range from 30 to 100 ℃. The averaged RF gain shift was obtained to be -0.03 dB/K in the range of 30 to 50 ℃ and -0.07 dB/K in the range of 50 to 100 ℃.
These results demonstrate the outstanding potential of InP-RTD devices for ultra-low-power applications such as the ISM-band wireless sensor networks.
본 연구에서는 기존 트랜지스터 기반 MMIC 증폭기 (amplifier)의 전력소모 감소에 있어서 한계 문제를 극복하기 위해 InP 기반 RTD (resonant tunneling diode) 소자를 이용하여 반사형 저전력 증폭기를 설계하고 제작하였다. 저전력 RTD-based amplifier를 구현하기 위해서 InP 기반 집적회로 제작 기술을 처음으로 개발하였다. InP 기반 RTD와 MIM capacitor, spiral inductor, thin film resistor로 구성되는 quadrature hybrid coupler 는 stacked RTD 에피 구조 내에서 단일 집적되었다. 공정된 소자들의 대표적인 성능은 다음과 같다. 0.36 V의 바이어스 전압, 173 μA 의 바이어스 전류에서 $0.9 \times 0.9 μm^2$ 의 emitter mesa 면적을 갖는 RTD는 430 μA 의 낮은 peak 전류에서 11 이상의 우수한 PVCR 특성을 보였다. 차단주파수는 77 GHz 였다. Sub-mA peak 전류 레벨에서 획득한 그 PVCR 은 다른 최신 InAs subwell RTD 결과들 보다 더 높은 값이다. Impedance transformation ratio (n), 8을 갖는 hybrid coupler 는 -16 dB, -20 dB 이하의 return loss 와 isolation 특성을 각각 보였다.
저전력 RTD-based amplifier의 실용적인 회로 응용에 대한 가능성을 입증하기 위해, 반사형 양자효과 증폭기는 RTD 기반 MMIC 기술을 이용하여 구현되었다. 반사형 저전력 증폭기의 기본적인 IC 기능을 검증하기 위해, Proto-type RTD-based amplifier가 5 GHz 에서 470 μW 의 낮은 전력 소모와 11.5 dB의 RF gain 특성을 보이면서 제작되었다. 두 개의 RTD 소자간의 크기 차이에 상당한 영향을 받는 return loss 특성은 단지 -5 dB 였다. RTD 크기 오차를 최소화하기 위해 InP 기반 RTD 의 단위 공정 기술이 plasma pre-treatment 공정 시간, 표면 처리를 위한 ammonia dipping 시간, phosphoric acid-based etchant의 혼합 비율, 그리고 de-ionized (DI) water 비저항의 측면에서 최적화되었다. 개선된 처리조건에 의해 공정된 고성능 InP 기반 RTD 의 크기 오차는 약 4 % 이하로서, proto-type RTD-based amplifier 에서 사용된 RTD 소자의 결과 (<15 %) 대비 1/3 이하였다. 고성능 InP 기반 RTD를 이용함으로서, 우수한 gain-to-dc power consumption ratio 를 갖는 RTD-based amplifier가 구현되었다. 그 증폭기는 5.7 GHz 에서 10.4 dB 의 RF power gain과 약 -10 dB 의 return loss 특성과 함께 125 μW 의 극히 낮은 전력소모 특성을 보였다. 그에 따라, 83.2 dB/mW 의 뛰어난 gain-to-dc power consumption ratio 특성을 얻었는데, 이 값은 관련된 동작 주파수 범위 내에서 지금까지 보고된 저전력 단일 집적 증폭기 결과들 중에서 가장 높은 값에 해당한다.
실용적인 회로 응용을 위해 공정된 RTD-based amplifiers 의 잡음지수 (noise figure) 와 RF 입출력 전력 특성이 측정 및 분석되었다. 최소 잡음지수와 최대 선행 출력 파워는 각각 5.08 dB와 -24 dBm 으로 측정되었다. 안정적이고 실용적인 증폭 동작을 검증하기 위해서 RTD-based amplifier 의 온도 특성 분석이 30 ℃ 에서 100 ℃ 의 범위에서 처음으로 수행되었다. 평균 RF gain shift 는 30 ℃ 에서 50 ℃ 의 범위에서 -0.03 dB/K, 50 ℃ 에서 100 ℃ 의 범위에서 -0.07 dB/K 의 값이 획득되었다.
이러한 결과는 ISM 대역 무선 센서 네트워크와 같은 초저전력 응용을 위한 InP 기반 RTD 소자의 뛰어난 가능성을 입증한다.
