In this thesis, the high-frequency quantum-effect oscillator ICs for THz wave generation using resonant-tunneling diodes (RTDs) have been proposed and implemented based on an InP-based RTD MMIC (monolithic microwave integrated circuit) technology. The highest fmax (maximum oscillation frequency) among electronic deivces and the unique NDC (negative differential conductance) characteristic arising from the quantum effects of the RTD device are used for high-frequency signal generation.
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 0.66 V and a peak current density of 688 kA/cm2 with a peak-to-valley current ratio (PVCR) of more than 1.4. The high fmax of 1.2 THz has been obtained. As for passive devices, MIM capacitors, varactor diodes and transmission lines have been implemented and characterized. The device modeling of the fabricated RTD and passive elements has been conducted for the RTD oscillator design.
Based on the RTD device model, THz RTD fundamental oscillators have been designed and implemented. The room temperature measurement of the fabricated RTD oscillators was performed by using THz radiation measurement set-ups. The fabricated RTD fundamental oscillators are operated in a frequency range of 400-850 GHz.
In order to achieve an operation frequency of over 1 THz, an RTD triple-push oscillator has been proposed and implemented. The fabricated RTD triple-push oscillator has been operated at an oscillation frequency of 1.52 THz with DC power consumption of 11.64 mW. The output power of 1.88 μW and good DC-to-RF power efficiency of 0.0162 % were achieved.
Keywords: frequency multiplication, resonant tunneling diode, triple-push oscillator, THz signal source
최근 주목 받고 있는 THz 기술은 다양한 응용 분야를 가지고 있다. THz 기술의 대표적인 응용 분야로는 반도체와 신소재에 대한 분광학적 연구, 이미징 기술을 응용한 의료, 바이오, 보안 기술, 분석 과학을 활용한 유해 가스 계측, 대기 흡수가 크고 지향성이 큰 장점을 활용한 도청 방지용 무선 통신 등이 있다. 이러한 THz 응용에 있어서 고성능의 THz 신호원은 가장 중요한 구성 요소이다. 그로인해, 지금까지 THz의 높은 주파수의 신호를 발생하기 위해서 다양한 전자 소자를 기반으로 한 발진기 회로가 개발 되었다. 그 중 양자 효과를 이용한 나노 소자인 공명 터널 다이오드 (RTD, resonant tunneling diode)는 자체적으로 부성 미분 컨덕턴스 (NDC, negative differential conductance) 특성을 가지고 있어 발진기 회로 구성에 있어 매우 유리하고, 전자 소자 중 가장 큰 최대 동작 주파수 (fmax, maximum oscillation frequency)를 가지고 있어 THz 신호원 개발에 있어서 가장 유망한 전자 소자 중 하나이다. 본 논문에서는 이러한 RTD 소자를 기반으로 THz 신호원 구현을 위한 THz RTD발진기 개발 연구를 진행하였다.
먼저, RTD 신호원 개발을 위한 RTD 소자 기술에 대한 연구를 수행하였다. THz 이상의 높은 fmax 특성을 얻기 위한 RTD의 양자 우물 구조 설계를 진행하였으며, 설계 된 RTD 소자를 제작하여 특성을 분석 하였다. 제작된 THz용 RTD 소자는 0.66 V의 피크 전압, 688 kA/cm2 의 피크 전류 밀도, 1.4의 PVCR (peak to valley current ratio)을 보였으며, 최대 동작 주파수는 1.2 THz로 측정되었다. 개발된 RTD 소자를 THz 발진기 설계에 사용하기 위한 소자 모델링을 진행하였으며, 발진기 소자를 구성하는데 필요한 전송선로, 캐패시터, 베렉터 다이오드에 대한 모델링 또한 진행하여 소자 라이브러리를 구축하였다.
다음으로, 구축된 소자 라이브러리를 기반으로 하여 RTD 발진기에 대한 설계를 수행하였다. 먼저 RTD 발진기 설계에 대한 기본 이론에 대한 스터디가 이루어졌으며, 이를 바탕으로 하여 기본 주파수 (fundamental frequency)에서 동작 하는 RTD 기본 발진기 (RTD fundamental oscillator) 설계를 진행하였다. RTD 기본 발진기의 안정적인 동작을 위해 인가 전압 안정화 회로 (bias stabilizer)를 함께 설계 하였으며, 설계 된 RTD 기본 발진기 회로는 InP 기반의 RTD 회로 공정 기술을 이용하여 제작 되었다. 제작된 RTD 기본 발진기는 FTIR (Fourier transform infrared) 기반의 THz 방사 측정 셋업을 통해 측정 되었다. 측정 된 RTD 기본 발진기의 동작 주파수는400 ~ 850 GHz 범위 안에 있었으며, 동작 주파수가 700 GHz 이상일 경우 출력 파워가 급격하게 감소함을 알 수 있었다. 이는 RTD 발진기의 동작 주파수가 RTD 소자의 최대 동작 주파수에 근접하게 되면서 나타나는 현상이다.
1 THz 이상의 동작 주파수를 얻기 위해서, 고조파 성분을 활용해 동작 주파수를 체배 하기 위한 회로 기술에 대한 연구를 진행하였다. 이를 위해, RTD 소자의2차 고조파 성분을 이용하여 동작 주파수를 2배로 하는 푸쉬-푸쉬 회로와 3차 고조파 성분을 이용하여 동작 주파수를 3배로 하는 트리플-푸쉬에 대한 이론적, 실험적 분석을 진행하였다. 그 결과, RTD 소자의 경우 3차 고조파를 이용한 주파수 체배의 효율이 가장 좋다는 결론을 얻었으며, 이를 기반으로 하여 RTD 소자 기반의 트리플-푸쉬 발진기 회로를 설계 및 제작하였다. 제작된 RTD 트리플-푸쉬 발진기 회로의 성능은 THz 방사 측정 셋업을 통해 측정되었다. 측정 결과, 1.52 THz의 높은 동작 주파수를 보였으며, 방사된 출력 파워는 1.88 μW 였다. 이를 통해 얻어진 DC-to-RF 파워 효율은 0.0162 %로 이는 현재까지 보고된1 THz 이상 동작 주파수를 가지는 발진기 회로의 파워 효율 중 가장 높은 값이다. 이 결과는 RTD소자와 RTD 소자를 이용한 트리플-푸쉬 형태의 주파수 체배 회로가 1 THz 이상의 발진기 회로 구현에 있어 매우 유망한 기술이라는 것을 의미한다.
