In recent years, the demand for various THz application systems such as spectroscopy, imaging, and wireless communication has greatly increased. For these applications, THz signal sources are one of the most important components. In both electronic and optical devices, various THz sources have been reported such as III-V transistor-based oscillators (HBTs and HEMTs), Si CMOS transistor-based oscillator, diode-based oscillators (Gunn diodes, IMPATT diodes and RTDs), multiplier chains and quantum cascade lasers.
The RTD-based oscillator is one of the most promising candidates for solid-state compact and coherent THz signal sources due to the high fmax (maximum oscillation frequency) of intrinsic NDC (negative differential conductance) from the resonant tunneling. However, the relatively small output power (0.1~$10 \mu W$) and the narrow frequency tuning range are limitations of RTD THz oscillators to be implemented in practical THz applications. In this thesis, the THz frequency range RTD oscillators with enhanced output power and frequency tunability have been developed.
The device fabrication and characterization of the terahertz RTD/SBD IC technology has been conducted. The InP-based RTD, InP-based SBD, CPW transmission line inductor and on-chip dipole antenna were fabricated and integrated by using an InP terahertz IC technology.
The terahertz RTD oscillators with enhanced output power have been fabricated and characterized. To improve the output power of the RTD oscillator without modifying the RTD device structure for high output power, the power combining techniques such as coherent power combining and multi-device power cell have been proposed and implemented.
In order to enhance the output power of the RTD oscillator, a differential-mode RTD oscillator has been suggested to generate differential output signals and increase the output power from the single-mode RTD oscillator. To combine and radiate the differential output signals of the differential-mode RTD oscillator effectively, an RTD-based differential-mode oscillator using an integrated on-chip dipole antenna has been demonstrated based on the InP RTD terahertz monolithic IC technology for the first time. The fabricated oscillator showed the oscillation frequency of 675 GHz and the output power of $47 \mu W$. The total DC power consumption and the DC-to-RF efficiency were 14.1 mW and 0.33 %, respectively.
As a two-element RTD oscillator, the RTD-pair oscillator has been confirmed by the experimental result. From the on-wafer measurement, the fabricated RTD-pair differential oscillator shows the oscillation frequency of 219 GHz with the maximum output power of $65 \mu W$ at each output port. For radiation measurement, the RTD-pair differential-mode oscillator integrated with an on-chip dipole antenna shows approximately 2 times higher output power than that of the single-RTD differential oscillator in the frequency range of 250 GHz.
The tunable-frequency oscillators by using the RTD and the SBD were proposed and demonstrated for the first time in the sub-THz frequency range. The single-RTD tunable-frequency oscillator shows the oscillation frequency from 159 to 179 GHz with varying a bias voltage of the SBD. The frequency tuning range was 12 % and the output power was 71 μW by the on-wafer measurement setup.
To enhance the output power of the tunable-frequency RTD oscillator, the RTD-pair configuration was applied. The RTD-pair tunable-frequency oscillator shows the frequency tuning range of 18% with the center frequency of 151 GHz. The oscillation frequency was tuned from 137 GHz to 165 GHz. the output power of 221 μW was measured by the on-wafer measurement setup. The measured performances show that the frequency tunable RTD oscillator with the SBD varactor is very promising for THz-range applications.
테라헤르츠 주파수 대역은 넓게는 100 GHz 에서 10 THz 에 해당하는 주파수 대역으로 마이크로파와 적외선의 사이에 존재하고 있다. 이로 인해 전자기적인 특성 및 광학적인 특성을 모두 가지고 있으며, 테라헤르츠와 관련된 연구도 전자소자 기반과 광학소자 기반으로 다양한 소자들을 이용하여 연구가 진행되고 있다. 테라헤르츠 파를 이용한 응용으로는 분광, 이미징, 보안, 무선통신, 의료 등이 있다. 이런 응용 시스템에서 테라헤르츠 신호원은 핵심 요소이며, HBT, HEMT, Si CMOS, Gunn 다이오드, IMPATT 다이오드, 공명터널 다이오드 (Resonant Tunneling Diode, RTD) 등 다양한 전자 소자를 이용하여 연구 중이다. 특히 공명터널 다이오드는 양자효과를 이용한 빠른 동작속도, 부성미분저항성분 등의 우수성으로 인해 테라헤르츠 신호원으로 각광받고 있는 소자이다. 최고 발진 주파수 1.98 THz 결과가 발표되며 테라헤르츠 신호원으로 우수성을 보이지만, 1 THz 이상에서는 발진 출력이 0.1~$10 \mu W$ 수준으로 낮고 주파수 변조 범위 또한 제한적이라 실제 테라헤르츠 응용 시스템에 활용되는데 한계가 있다. 본 논문에서는 다양한 테라헤르츠 응용에 활용되기 위해 이러한 단점을 극복하는 연구를 진행하였다. 첫 번째로 공명터널 다이오드 기반 테라헤르츠 신호원의 출력을 향상시키는 구조에 대해서 연구를 진행하였으며, 두 번째로 주파수 변조기능을 갖는 공명터널 다이오드 발진 회로를 연구하였다.
먼저 본 연구에서 활용된 테라헤르츠 급 소자 및 회로 공정 기술에 대한 개발 및 특성 분석을 진행하였다. InP 기반의 공명터널 다이오드 및 쇼트키 배리어 다이오드, CPW 전송선 기반 인덕터, 온 칩 다이폴 안테나 등이 테라헤르츠 회로 공정기술을 적용하여 제작되었다. 제작된 소자는 측정 및 분석을 통해 회로 시뮬레이터에 활용되기 위해 모델링되었으며, 측정이 어려운 CPW 전송선 기반 인덕터 및 온 칩 다이폴 안테나는 3D 구조 시뮬레이터인 HFSS 및 CST 를 이용하여 실제에 가깝게 설계 및 모델링 되었다.
다음으로 향상된 발진 출력을 갖는 공명터널 다이오드 기반 테라헤르츠 발진 회로의 설계 및 제작이 진행되었다. 공명터널 다이오드의 성능 향상 없이 발진 출력을 증가시키기 위해서 다양한 파워 결합 기술 및 다수의 소자를 활용하는 회로 구조가 제안되었다.
먼저 공명터널 다이오드 기반 차동모드 발진 회로를 이용하여 출력을 증가시키는 회로 구조를 제안하였으며, 차동모드 출력을 효율적으로 결합하여 신호를 방사시키기 위해 온 칩 다이폴 안테나를 집적하였다. 제작된 온 칩 안테나가 집적된 공명터널 다이오드 기반 차동모드 테라헤르츠 발진 회로는 675 GHz 의 발진 주파수, $47 \mu W$ 의 방사 출력을 확인하였다. 전력 소모는 14.1 mW 이며, DC-RF 변환효율은 0.33 % 로 유사 대역 다른 테라헤르츠 신호원에 비해 우수한 성능을 보였다.
다수의 공명터널 다이오드를 이용하여 핵심 회로 내에서 출력을 개선하기 위해서 2개의 공명터널 다이오드를 이용하는 발진 회로 구조를 비교 연구하였다. 평행하게 연결된 구조와 수직으로 연결된 구조를 이용하여 RTD 쌍 (RTD-pair) 구조가 2배 이상의 출력 개선 효과를 내는 것을 실험적으로 확인하였다. 이를 차동모드 발진 회로에 적용하여 연구를 진행하였다. 온 웨이퍼 측정을 위해 제작된 서브테라헤르츠 발진 회로 제작 결과, 발진 주파수 219 GHz 및 발진 출력 $65 \mu W$ 의 결과를 공명터널 다이오드 기반 차동모드 발진 회로의 양 출력단에서 확인하였다.
방사 측정을 위해 제작된 온 칩 안테나가 결합된 RTD 쌍기반 차동모드 발진 회로는 252 GHz 의 발진 주파수를 보였으며, 비교를 위해 제작된 단일 RTD 기반 차동모드 발진 회로는 240 GHz 의 발진 주파수를 보였다. 동일한 환경에서 측정된 상대 발진 출력은 차동모드 발진 회로가 약 2.1배 향상된 것으로 나타났으며, 이로 인해 RTD 쌍 구조가 공명터널 다이오드 발진 회로의 출력을 향상시키는 것을 실험적으로 확인하였다.
마지막으로 주파수 변조 특성을 갖는 공명터널 다이오드 기반 발진 회로를 제안하였다. 주파수 변조 특성을 위해 쇼트키 배리어 다이오드가 배랙터 다이오드로 활용되었다. 단일 RTD 를 이용한 주파수 변조 발진 회로 제작 결과, 쇼트키 배리어 다이오드에 인가된 전압에 따라 발진 주파수가 159 GHz 에서 179 GHz 까지 변조되는 것을 확인하였다. 출력을 향상시키기 위해 RTD 쌍을 이용한 주파수 변조 발진 회로 구조를 제작하였으며, 발진 주파수가 137 GHz 에서 165 GHz 까지 변조되는 결과를 확인하였다. 주파수 변조 범위는 중심 발진 주파수 151 GHz 기준 18% 로 우수한 성능을 보였으며, 온 웨이퍼에서 측정된 출력은 221 μW 였다.
본 논문을 통해 진행된 향상된 발진 출력 및 주파수 변조 기능을 갖는 공명터널 다이오드 기반 테라헤르츠 발진 회로에 대한 연구는 테라헤르츠 응용 시스템에 활용될 수 있는 경쟁력을 확보하였으며, 향후 추가 연구 및 실용화 연구를 통해 성능 안정화 및 개선연구로 확장될 수 있다.
