실리콘 기반 플라즈마파 트랜지스터를 이용한 테라헤르츠 발진기 및 검출기

Abstract

테라헤르츠(THz) 기술은 전자기파 스펙트럼에서 전자기술과 광학기술이 중첩되는 0.1∼10 THz 대역을 지니는 THz파를 이용한 기술로서, 의료, 보안, 근․장거리 통신 등 광범위한 산업 분야에 적용할 수 있다[1]. 현재까지 이 주파수 대역의 전체적인 개척수준은 미미하지만, 비교적 가까운 장래에 상용화가 기대되는 THz 파 발진기와 검출기를 이용한 이미징 시스템은 활발히 연구가 진행되고 있다. 기존에는 광공학적인 접근으로 고전력․대형 설비를 이용하여 THz 파를 발진․검출하였으나, 저전력․소형화의 전자공학 기술의발전으로 전자소자의 성능향상에 초점을 맞춘 기술연구가 진행 중이다. 전자소자를 이용한 THz 파 발진․검출기는 전하수송입자 자체의 움직임을 이용한 transit-mode를 통하여 1THz까지의 sub-THz 영역에 도달하였으나, 그 이상의 동작주파수 향상에는 한계에 직면한 상황이다. 하지만 plasma-mode,즉, 전하 표류 속도의 10∼100 배의 속도를 지니는 전하의 시공간 집단적 움직임인 플라즈마파(plasma-wave)를 이용한 플라즈마파 트랜지스터(Plasma-Wave Transistor, PWT)를 통하여 1 THz 이상의 동작주파수 영역에 도달 가능함이 밝혀졌다[2].이러한 plasma-mode 동작은 PWT 채널 경계에서 플라즈마파의 반복적인 반사로 인한 진폭의 증가를 이용하는 공진 모드(resonant mode)와, 플라즈마파가 채널 경계까지 도달 및 반사하기 전에 모두 감쇠하여 공진이 발생하지 않는 비공진모드(non-resonant mode)로 구분된다[3]. PWT 소자구조를 이용한 THz 발진기의 경우, 전자기파의 발진을 위하여 채널 내부의 공진이 필수적이기 때문에, resonant PWT(R-PWT) 구조를 사용해야 하는 반면에, THz 검출기의 경우 외부로부터의신호가 채널 내부의 플라즈마파로 변환되기 때문에 R-PWT와 non-resonant PWT(NR-PWT)의 두 소자구조 모두를 취할 수 있다. 또한 공진 모드 동작 시 공진을 발생시키기 위하여 높은 이동도와 짧은 채널길이를 요구하는 반면, 비공진 모드의 경우 상대적으로 낮은 이동도와 긴 채널길이에서도 구현이 가능하다. 따라서 R-PWT THz 발진기의 경우, 실리콘(siliocn, Si)대비 이동도가 상대적으로 높은 InGaAs와 같은 화합물 기반HEMT 구조를 기반으로 연구결과가 발표되고 있다[4]~[6]. 반면 검출기의 경우, 상대적으로 낮은 이동도를 지니고 있지만,고집적․저비용의 상용화 관점에서 유리한 Si 기반 NR-PWTTHz 검출기 연구가 활발히 진행되어 왔다[7]~[9].본 논문에서는 이동도 향상을 기대할 수 있는 strained-Si(s-Si) 기반 R-PWT THz 발진기 구현에 대한 가능성을 최초로 밝힘과 동시에 본 연구그룹에서 개발한 세계 최고 성능의 반응도를 보이는 Si NR-PWT THz 검출기를 소개하고자 한다.