[학위논문]반도체 기반 광대역 테라헤르츠 소자 제작, 특성 및 응용 연구 Study on the fabrication, characterization and their applications of Terahertz devices based on semiconductor원문보기
테라헤르츠(THz) 대역은 전자기파 스펙트럼에서 밀리미터파와 적외선 사이의 주파수 대역 (0.1-10 THz)에 해당한다. THz파는 종이, 플라스틱, 세라믹과 같은 유전체에 대한 높은 투과성을 가지고 있으면서 낮은 광자 에너지로 인해 비파괴, 비이온화의 특징을 가진다. 또한 다양한 분자의 공명주파수가 THz 대역에 포함되어 있으므로 물질의 ...
테라헤르츠(THz) 대역은 전자기파 스펙트럼에서 밀리미터파와 적외선 사이의 주파수 대역 (0.1-10 THz)에 해당한다. THz파는 종이, 플라스틱, 세라믹과 같은 유전체에 대한 높은 투과성을 가지고 있으면서 낮은 광자 에너지로 인해 비파괴, 비이온화의 특징을 가진다. 또한 다양한 분자의 공명주파수가 THz 대역에 포함되어 있으므로 물질의 분광분석 및 이미징 분야의 응용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 THz 대역의 전자기파를 발생, 검출 할 수 있는 가장 대표적인 소자인 광전도 안테나의 광전도 물질로 사용되는 저온성장된 GaAs, InGaAs 등의 III-V 족 화합물 반도체의 경우 짧은 운반자 수명시간, 높은 이동도, 높은 절연파괴 전압의 특성을 가지지만, MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)등 고가의 진공장비가 사용되며 성장조건이 까다롭고 제한된 종류의 기판 및 성장 시 수율이 낮은 단점을 가진다. 따라서 이와 같은 단점을 극복하고자 대면적 제조가 용이하며 다양한 형태의 유, 무기 기판에 형성이 가능한 광전도 물질인 랜덤 구조의 단일벽 탄소나노튜브(SWNT) 박막과 기존에 보고 되지 않았던 이산화바나듐(VO2) 박막으로 새롭게 적용한 광전도 안테나를 제작하여 THz파의 발생을 최초로 확인하였고 발생한 THz파의 특성을 측정, 분석하여 기존의 광전도 물질을 대체 할 수 있는 가능성을 보였다. 이와 더불어 이상적인 2차원 평면구조를 가지면서 우수한 전기전도도를 가지는 그래핀에 분포하는 전자들의 2차원 전자 가스형태의 거동 특성을 이용하여 플라즈마 검출 방식의 THz 연속파 검출 소자인 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET) 구조의 검출기를 제작하여 THz 연속파에 대한 응답특성을 측정하였다. 제안된 그래핀 THz파 검출기는 0.25 THz 연속파의 세기에 선형적으로 비례하는 특성을 나타내었으며, 최대 0.016 V/W의 응답도와 1.1*10-6W·Hz-0.5의 등가 잡음 전력 (Noise Equivalent Power)를 가짐을 확인하였고, 2D 이미지 스캔을 통하여 실제 THz 대역에서 활용될 수 있음을 보였다. 또한, 고효율, 저비용의 필터, 변조기와 같은 수동소자의 부재는 THz 대역의 이용을 제한하는 요인이 되어 왔다. 따라서, VO2 박막이 가지는 상온에서 나타나는 반도체-금속 간 상전이 특성을 이용하여, 박막위에 금속 격자를 형성한 스위칭 편광자를 제작하여 THz파의 편광각도 변화에 따른 투과 특성을 측정하였다. 측정 결과 0.1-2.0 THz 대역에서 상용 편광자 수준인 평균 0.992 편광 정도 (Degree of Polarization), 26 dB의 소광비 (Extinction Ratio)를 나타내었고 상전이 특성을 이용하여 측정된 0.89의 변조 깊이는 지금까지 보고되었던 그래핀 및 메타물질 기반의 다양한 형태의 THz파 진폭 변조 소자들에 비해서 우수한 특성을 나타내는 것이다. 이와 같이, 본 학위논문은 새로운 물질을 적용한 THz파 발생 및 검출소자의 개발과 광대역 THz 수동소자를 구현함으로써 새로운 형태의 THz 소자의 개발에 활용될 수 있을 것이라고 생각한다.
테라헤르츠(THz) 대역은 전자기파 스펙트럼에서 밀리미터파와 적외선 사이의 주파수 대역 (0.1-10 THz)에 해당한다. THz파는 종이, 플라스틱, 세라믹과 같은 유전체에 대한 높은 투과성을 가지고 있으면서 낮은 광자 에너지로 인해 비파괴, 비이온화의 특징을 가진다. 또한 다양한 분자의 공명주파수가 THz 대역에 포함되어 있으므로 물질의 분광분석 및 이미징 분야의 응용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 THz 대역의 전자기파를 발생, 검출 할 수 있는 가장 대표적인 소자인 광전도 안테나의 광전도 물질로 사용되는 저온성장된 GaAs, InGaAs 등의 III-V 족 화합물 반도체의 경우 짧은 운반자 수명시간, 높은 이동도, 높은 절연파괴 전압의 특성을 가지지만, MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)등 고가의 진공장비가 사용되며 성장조건이 까다롭고 제한된 종류의 기판 및 성장 시 수율이 낮은 단점을 가진다. 따라서 이와 같은 단점을 극복하고자 대면적 제조가 용이하며 다양한 형태의 유, 무기 기판에 형성이 가능한 광전도 물질인 랜덤 구조의 단일벽 탄소나노튜브(SWNT) 박막과 기존에 보고 되지 않았던 이산화바나듐(VO2) 박막으로 새롭게 적용한 광전도 안테나를 제작하여 THz파의 발생을 최초로 확인하였고 발생한 THz파의 특성을 측정, 분석하여 기존의 광전도 물질을 대체 할 수 있는 가능성을 보였다. 이와 더불어 이상적인 2차원 평면구조를 가지면서 우수한 전기전도도를 가지는 그래핀에 분포하는 전자들의 2차원 전자 가스형태의 거동 특성을 이용하여 플라즈마 검출 방식의 THz 연속파 검출 소자인 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET) 구조의 검출기를 제작하여 THz 연속파에 대한 응답특성을 측정하였다. 제안된 그래핀 THz파 검출기는 0.25 THz 연속파의 세기에 선형적으로 비례하는 특성을 나타내었으며, 최대 0.016 V/W의 응답도와 1.1*10-6W·Hz-0.5의 등가 잡음 전력 (Noise Equivalent Power)를 가짐을 확인하였고, 2D 이미지 스캔을 통하여 실제 THz 대역에서 활용될 수 있음을 보였다. 또한, 고효율, 저비용의 필터, 변조기와 같은 수동소자의 부재는 THz 대역의 이용을 제한하는 요인이 되어 왔다. 따라서, VO2 박막이 가지는 상온에서 나타나는 반도체-금속 간 상전이 특성을 이용하여, 박막위에 금속 격자를 형성한 스위칭 편광자를 제작하여 THz파의 편광각도 변화에 따른 투과 특성을 측정하였다. 측정 결과 0.1-2.0 THz 대역에서 상용 편광자 수준인 평균 0.992 편광 정도 (Degree of Polarization), 26 dB의 소광비 (Extinction Ratio)를 나타내었고 상전이 특성을 이용하여 측정된 0.89의 변조 깊이는 지금까지 보고되었던 그래핀 및 메타물질 기반의 다양한 형태의 THz파 진폭 변조 소자들에 비해서 우수한 특성을 나타내는 것이다. 이와 같이, 본 학위논문은 새로운 물질을 적용한 THz파 발생 및 검출소자의 개발과 광대역 THz 수동소자를 구현함으로써 새로운 형태의 THz 소자의 개발에 활용될 수 있을 것이라고 생각한다.
Terahertz (THz) region is the electromagnetic spectrum of which frequency range corresponds to 0.1-10 THz and lies in between the millimeter and infrared spectral bands. THz waves can penetrate some dielectric substances including paper, plastics and ceramics and it also has non-invasive and non-ion...
Terahertz (THz) region is the electromagnetic spectrum of which frequency range corresponds to 0.1-10 THz and lies in between the millimeter and infrared spectral bands. THz waves can penetrate some dielectric substances including paper, plastics and ceramics and it also has non-invasive and non-ionizing natures owing to its low photon energy (~meV). Furthermore, since the rotational and vibrational resonances of a variety of molecules are in this region, plenty of active research have been made in the field of THz spectroscopy and THz imaging. A photoconductive antenna (PCA) is one of the most representative device for the THz sources and detectors. As the photoconductive materials applied to a PCA, low-temperature grown III-V compound semiconductors have given excellent properties such as short carrier lifetime, high mobility, and high breakdown voltage. However, these materials have drawbacks such that they need highly-expensive vacuum processing equipments such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), require strict growth conditions, have a narrow range of substrate materials and exhibits a low yield for the high-quality layers. In order to overcome these problems, we fabricated a PCA using random networked single walled cabon nanotube (SWNT) thin film that can be made with a simple large-scale synthesis on various organic or inorganic substrates. We also made a novel PCA using vanadium dioxide (VO2) thin film of which thickness is only 100 nm and world-firstly generated coherent THz pulses from it, showing the possibility of VO2 as the candidate of photoconductive layer for the THz PCA. In addition to THz PCAs, using the intrinsic characteristics of collective 2-dimensional electron gas (2-DEG) behavior of the high-mobility carriers in graphene, we fabricated a THz wideband antenna integrated field-effect transistor (FET) with CVD graphene and measured the detection characteristics to the continuous THz waves. The fabricated graphene THz detector shows the output voltage to be proportional to the incident power of THz waves at 0.25 THz, and the maximum responsivity of 16 mV/W and NEP (Noise Equivalent Power) of 1.1*10-6 W·Hz-0.5. Additionally, through the two-dimensional THz image scanning, the possibility of its utilization as a THz wave detector is verified. Meanwhile, the lack of high-efficient and cost-effective THz passive components have limited further utilizations of the THz region. Using the phase transition properties of the VO2 that can be reversibly interchangeable between the semiconducting and the metallic phases near the room temperature, an actively on/off switching THz linear polarizer was fabricated and evaluated by the polarization-dependent transmittances. As a result, in the 0.1-2.0 THz spectral range, the device shows commercially comparable values in the degree of polarization (DOP) and the extinction ratio (ER). Especially, a high value of 0.89 in the modulation depth (MD) for the transmitted THz field amplitude has been achieved, which is superior to other THz wave modulators. In summary, by this dissertation I investigated several THz devices with novel materials for the generations, detections and manipulations of THz waves and showed their potential to the developments of novel types of THz devices.
Terahertz (THz) region is the electromagnetic spectrum of which frequency range corresponds to 0.1-10 THz and lies in between the millimeter and infrared spectral bands. THz waves can penetrate some dielectric substances including paper, plastics and ceramics and it also has non-invasive and non-ionizing natures owing to its low photon energy (~meV). Furthermore, since the rotational and vibrational resonances of a variety of molecules are in this region, plenty of active research have been made in the field of THz spectroscopy and THz imaging. A photoconductive antenna (PCA) is one of the most representative device for the THz sources and detectors. As the photoconductive materials applied to a PCA, low-temperature grown III-V compound semiconductors have given excellent properties such as short carrier lifetime, high mobility, and high breakdown voltage. However, these materials have drawbacks such that they need highly-expensive vacuum processing equipments such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), require strict growth conditions, have a narrow range of substrate materials and exhibits a low yield for the high-quality layers. In order to overcome these problems, we fabricated a PCA using random networked single walled cabon nanotube (SWNT) thin film that can be made with a simple large-scale synthesis on various organic or inorganic substrates. We also made a novel PCA using vanadium dioxide (VO2) thin film of which thickness is only 100 nm and world-firstly generated coherent THz pulses from it, showing the possibility of VO2 as the candidate of photoconductive layer for the THz PCA. In addition to THz PCAs, using the intrinsic characteristics of collective 2-dimensional electron gas (2-DEG) behavior of the high-mobility carriers in graphene, we fabricated a THz wideband antenna integrated field-effect transistor (FET) with CVD graphene and measured the detection characteristics to the continuous THz waves. The fabricated graphene THz detector shows the output voltage to be proportional to the incident power of THz waves at 0.25 THz, and the maximum responsivity of 16 mV/W and NEP (Noise Equivalent Power) of 1.1*10-6 W·Hz-0.5. Additionally, through the two-dimensional THz image scanning, the possibility of its utilization as a THz wave detector is verified. Meanwhile, the lack of high-efficient and cost-effective THz passive components have limited further utilizations of the THz region. Using the phase transition properties of the VO2 that can be reversibly interchangeable between the semiconducting and the metallic phases near the room temperature, an actively on/off switching THz linear polarizer was fabricated and evaluated by the polarization-dependent transmittances. As a result, in the 0.1-2.0 THz spectral range, the device shows commercially comparable values in the degree of polarization (DOP) and the extinction ratio (ER). Especially, a high value of 0.89 in the modulation depth (MD) for the transmitted THz field amplitude has been achieved, which is superior to other THz wave modulators. In summary, by this dissertation I investigated several THz devices with novel materials for the generations, detections and manipulations of THz waves and showed their potential to the developments of novel types of THz devices.
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