본 논문에서는 InGaAs 반도체에 기반한 테라헤르쯔(THz) 송/수신기(Tx/Rx) 제작을 위한 기초 연구로서, InGaAs 박막의 THz 발생 및 검출 특성에 관한 결과를 보고한다. THz 발생과 검출 특성 조사에는 각각 MBE 장비로 고온(HT) 및 저온(LT)에서 성장한 InGaAs 박막이 사용되었으며, THz 발생에는 photo-Dember 표면방출 방법이 시도되었다. HT-InGaAs 기판 위에 제작한 전송선(Ti/Au)의 가장자리에 Ti:Sapphire fs 펄스 레이저(60 ps/83 MHz)를 조사하여 THz파를 발생시켰으며, 이때 THz 검출에는 LT-GaAs가 사용되었다. 시간지연에 따른 전류신호를 Fourier 변환하여 얻은 THz 스펙트럼의 주파수 범위는 약 0.5~2 THz이었으며, 여기 레이저 출력에 대한 신호의 세기는 지수함수적 변화를 보였다. THz 검출 특성에 사용한 LT-InGaAs Rx에는 쌍극자(5/20 ${\mu}m$) 구조의 안테나가 탑재되어 있으며, 차단 주파수는 약 2 THz이었다.
본 논문에서는 InGaAs 반도체에 기반한 테라헤르쯔(THz) 송/수신기(Tx/Rx) 제작을 위한 기초 연구로서, InGaAs 박막의 THz 발생 및 검출 특성에 관한 결과를 보고한다. THz 발생과 검출 특성 조사에는 각각 MBE 장비로 고온(HT) 및 저온(LT)에서 성장한 InGaAs 박막이 사용되었으며, THz 발생에는 photo-Dember 표면방출 방법이 시도되었다. HT-InGaAs 기판 위에 제작한 전송선(Ti/Au)의 가장자리에 Ti:Sapphire fs 펄스 레이저(60 ps/83 MHz)를 조사하여 THz파를 발생시켰으며, 이때 THz 검출에는 LT-GaAs가 사용되었다. 시간지연에 따른 전류신호를 Fourier 변환하여 얻은 THz 스펙트럼의 주파수 범위는 약 0.5~2 THz이었으며, 여기 레이저 출력에 대한 신호의 세기는 지수함수적 변화를 보였다. THz 검출 특성에 사용한 LT-InGaAs Rx에는 쌍극자(5/20 ${\mu}m$) 구조의 안테나가 탑재되어 있으며, 차단 주파수는 약 2 THz이었다.
In this paper, we report THz generation and detection characteristics investigated by InGaAs semiconductor epilayers, as results of a basic study obtained from the InGaAs-based THz transmitter/receiver (Tx/Rx). High-temperature and low-temperature (LT) grown InGaAs epilayers were prepared by the mol...
In this paper, we report THz generation and detection characteristics investigated by InGaAs semiconductor epilayers, as results of a basic study obtained from the InGaAs-based THz transmitter/receiver (Tx/Rx). High-temperature and low-temperature (LT) grown InGaAs epilayers were prepared by the molecular beam epitaxy technique for the characterization of THz generation and detection, respectively, and the surface emission based on the photo-Dember effect was tried for THz generation. THz wave was generated by irradiation of a Ti:Sapphire fs pulse laser (60 ps/83 MHz), and a LT-GaAs Rx was used for the THz detection. The frequency band shown in the spectral amplitudes Fourier-transformed from the measured current signals was ranging in 0.5~2 THz, and the signal currents were exponentially increased with the Tx beam power. The THz detection characteristics of LT-InGaAs were investigated by using an Rx with dipole (5/20 ${\mu}m$) antenna, and the cutoff frequency was ~2 THz.
In this paper, we report THz generation and detection characteristics investigated by InGaAs semiconductor epilayers, as results of a basic study obtained from the InGaAs-based THz transmitter/receiver (Tx/Rx). High-temperature and low-temperature (LT) grown InGaAs epilayers were prepared by the molecular beam epitaxy technique for the characterization of THz generation and detection, respectively, and the surface emission based on the photo-Dember effect was tried for THz generation. THz wave was generated by irradiation of a Ti:Sapphire fs pulse laser (60 ps/83 MHz), and a LT-GaAs Rx was used for the THz detection. The frequency band shown in the spectral amplitudes Fourier-transformed from the measured current signals was ranging in 0.5~2 THz, and the signal currents were exponentially increased with the Tx beam power. The THz detection characteristics of LT-InGaAs were investigated by using an Rx with dipole (5/20 ${\mu}m$) antenna, and the cutoff frequency was ~2 THz.
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문제 정의
한편, 광전도검출법은 광전도 발생방식의 역과정으로, 안테나에 조사된 THz 펄스가 전극 사이에 전기장을 형성하여 THz 강도에 비례하는 전류를 검출하는 방법으로, 이 때 생성된 THz 전기장은 수 ps 정도 지속된다. 본 실험에서는 THz-TDS 시스템을 이용하여, 광전도검출법으로 InGaAs Rx의 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 InGaAs 반도체 박막에 기반한 테라헤르쯔 (THz) 송/수신기(Tx/Rx) 구현을 위한 기초 연구로서, InGaAs에서의 THz파 발생 및 검출 특성을 체계적으로 조사 하였다. 고온(high temperature, HT)/저온(low temperature, LT)에서 성장한 InGaAs 박막 기판 위에 접합한 Tx/Rx 구조를 이용하여 THz 발생/검출 특성을 각각 조사하였다.
제안 방법
THz 발생/검출 특성 평가에서는 시험할 Tx 또는 Rx 소자를 기존의 Tx/Rx와 교체하여 실험을 수행하였다. Lock-in 증폭기를 사용하여 시간지연에 대한 THz 전류신호 (current signal)를 측정하였으며, 전류신호를 빠른 Fourier 변환(Fast Fourier transformation, FFT)하여 THz 주파수에 대한 진폭 스펙트럼(spectral amplitude)을 얻었다.
THz Rx 제작에는 ps 정도의 전하수명(carrier lifetime)을 가지는 저온성장 기판이 요구되므로, THz 발생/검출 실험에 앞서 Rx 기판의 전하수명을 조사하였다. Ti:Sapphire 레이저 여기에 의한 전형적인 fs pump-probe 분광법으로 전하수명을 분석하였으며, 반사도(ΔR/R) 측정에는 상용 Si 광다이오드를 사용하였다.
Tx/Rx 소자와 측정장치 사이는 동축케이블로 연결되어 있으며, Tx에서 Rx에 이르는 경로에는 2개의 반사경이 설치 되어 있다. THz 발생/검출 특성 평가에서는 시험할 Tx 또는 Rx 소자를 기존의 Tx/Rx와 교체하여 실험을 수행하였다. Lock-in 증폭기를 사용하여 시간지연에 대한 THz 전류신호 (current signal)를 측정하였으며, 전류신호를 빠른 Fourier 변환(Fast Fourier transformation, FFT)하여 THz 주파수에 대한 진폭 스펙트럼(spectral amplitude)을 얻었다.
전형적인 광묘화기법(photolithography)과 진공증착법으로 Tx/Rx 패턴을 제작하였으며, 이때 금속(Ti/Au)의 두께는 30/200 nm이다. Tx/Rx 패턴 위에는 THz 빔을 집광하는 Si 렌즈가 부착되어 있으며, THz 발생은 전극의 가장자리에 레이저를 조사하는 방법으로 수평방향(lateral direction)으로 p-D 효과를 유도하였다.
고온(HT)과 저온(LT)에서 성장한 HT-InGaAs와 LTInGaAs:Be MBE 박막을 사용하여, InGaAs 반도체 박막의 THz 발생 및 검출 특성을 조사하였다. THz 발생에는 photo-Dember 표면방출법이 시도되었는데, 외부 전압에는 거의 의존하지 않음을 보였다.
본 연구에서는 InGaAs 반도체 박막에 기반한 테라헤르쯔 (THz) 송/수신기(Tx/Rx) 구현을 위한 기초 연구로서, InGaAs에서의 THz파 발생 및 검출 특성을 체계적으로 조사 하였다. 고온(high temperature, HT)/저온(low temperature, LT)에서 성장한 InGaAs 박막 기판 위에 접합한 Tx/Rx 구조를 이용하여 THz 발생/검출 특성을 각각 조사하였다. THz 발생에는 photo-Dember (p-D) 효과 [24]에 의한 표면방출법이 시도되었으며, 측정 및 분석에는 THz 시간 영역분광(THz time-domain spcetrometer, THz-TDS) 시스템이 이용되었다.
쌍극자 (5/20 μm) 구조의 안테나를 탑재한 Rx의 THz 검출 특성을 조사하였으며, LT-InGaAs의 전류신호의 세기(p-p) 는 LT-GaAs의 약 1/30 정도 낮았고, FFT 스펙트럼의 차단 주파수는 약 2 THz이었다. 레이저 출력에 대한 Tx 및 Rx 신호전류는 모두 지수함수적 변화를 나타내었는데, 생성된 EHP 일부가 재결합을 통하여 소멸됨으로서 전류에 기여하지 못한 결과로 논의하였다. 본 연구 결과로부터 분석한 HT-InGaAs 발생 및 LT-InGaAs 검출에서의 평균 이득은 각각 약 2.
본 연구에서는 MBE 장비를 이용하여 530 oC (고온, HT) 와 250 oC (저온, LT) 온도에서 1.0 μm 두께의 HT-InGaAs (undoped) 및 LT-InGaAs:Be 박막을 각각 성장하였다.
쌍극자 (5/20 μm) 구조의 안테나를 탑재한 Rx의 THz 검출 특성을 조사하였으며, LT-InGaAs의 전류신호의 세기(p-p) 는 LT-GaAs의 약 1/30 정도 낮았고, FFT 스펙트럼의 차단 주파수는 약 2 THz이었다.
전송선(transmission line) 구조(H6)와 전송선에 쌍극자(dipole)가 추가된 구조 (H3)의 2가지 형태로 설계하였는데, 전송선의 선폭/거리는 10/80 μm이며 쌍극자의 길이/간격은 20/5 μm이다.
전송선(transmission line) 구조(H6)와 전송선에 쌍극자(dipole)가 추가된 구조 (H3)의 2가지 형태로 설계하였는데, 전송선의 선폭/거리는 10/80 μm이며 쌍극자의 길이/간격은 20/5 μm이다. 전형적인 광묘화기법(photolithography)과 진공증착법으로 Tx/Rx 패턴을 제작하였으며, 이때 금속(Ti/Au)의 두께는 30/200 nm이다. Tx/Rx 패턴 위에는 THz 빔을 집광하는 Si 렌즈가 부착되어 있으며, THz 발생은 전극의 가장자리에 레이저를 조사하는 방법으로 수평방향(lateral direction)으로 p-D 효과를 유도하였다.
대상 데이터
이 현상을 photo-Dember (p-D) 효과라고 부르며, InAs, InGaAs 등과 같은 고이동도의 반도체 에서 특히 강하게 나타난다. 본 실험에서는 p-D 효과를 이용하여 THz 발생을 시도하였는데, 이때 사용한 기판은 InGaAs 박막이다.
본 연구에서는 Be (1×1018 cm-3 )을 도핑한 후 급속열처리(rapid thermal annealing, RTA)장치로 550 oC에서 10분간 열처리하여 LTInGaAs 기판을 준비하였다.
4의 그림은 THz 발생 및 검출 특성 평가에 사용한 THz-TDS (한국해양대)의 구성도이다. 상용 Ti:Sapphire fs 펄스 레이저를 여기광으로 사용하였으며, 중심 파장과 펄스폭/반복률은 각각 800 nm (1.55 eV)와 60 ps/83 MHz이 다. Tx/Rx 소자와 측정장치 사이는 동축케이블로 연결되어 있으며, Tx에서 Rx에 이르는 경로에는 2개의 반사경이 설치 되어 있다.
이론/모형
고온(high temperature, HT)/저온(low temperature, LT)에서 성장한 InGaAs 박막 기판 위에 접합한 Tx/Rx 구조를 이용하여 THz 발생/검출 특성을 각각 조사하였다. THz 발생에는 photo-Dember (p-D) 효과 [24]에 의한 표면방출법이 시도되었으며, 측정 및 분석에는 THz 시간 영역분광(THz time-domain spcetrometer, THz-TDS) 시스템이 이용되었다.
Figure 4. THz-TDS system used for this study.
Ti:Sapphire 레이저 여기에 의한 전형적인 fs pump-probe 분광법으로 전하수명을 분석하였으며, 반사도(ΔR/R) 측정에는 상용 Si 광다이오드를 사용하였다.
전광검출법은 비선형 물질의 편광 광정류에 의한 THz 발생의 역과정인 Pockels 효과를 이용한다. THz 펄스 전기장의 복굴절에 의한 편광은 THz 전기장 강도에 비례하는데, 이때 편광의 변화를 편광자(polorizer)나 광다이오드로써 측정하여 THz를 검출한다.
성능/효과
10은 동일한 Tx (80 V/11 mW) 및 Rx (14 mW) 조건에서 측정한 LT-GaAs와 LT-InGaAs의 검출 특성을 비교한 그래프로서, 이때 THz 광원은 SI-GaAs Tx로 발생시켰다. GaAs와 InGaAs의 THz 전류신호(a)와 FFT 진폭 스펙트럼(b)의 파형은 거의 유사한 형태이나, LT-InGaAs의 전류신호의 세기(p-p)는 LT-GaAs의 약 1/30 정도이었으며, LT-GaAs의 차단 주파수(cutoff frequency) 4 THz와 비교하면 LT-InGaAs는 약 2 THz로서 1/2 정도로 낮다. 이 차이는 전하수명의 차이 때문으로, 보통, LT-InGaAs 의 신호전류와 반응 주파수 대역은 각각 LT-GaAs의 약 1/20과 1/2 정도를 가진다 [27].
Hall 효과(300 K)로부터 분석한 HT/LT-InGaAs는 모두 n형으로 전하밀도와 이동도는 각각 1×1016 /9×1016 cm-3 과 2,000/50 cm2 /Vs이었다(밴드 갭이 작은 시료의 상온 Hall 효과는 열여기에 의한 전자-정공의 혼합전도 결과로서, n-InGaAs:Si (5×1016 cm-3 )의 Hall 이동도가 7,090 cm2 /Vs임을 감안하면, 본 실험에서 사용한 undoped HT-InGaAs의 순수 전자밀도와 이동도는 각각 ∼1015 cm-3 과 ＞8,000 cm2 /Vs의 값을 가질 것으로 추정된다.
레이저 출력에 대한 Tx 및 Rx 신호전류는 모두 지수함수적 변화를 나타내었는데, 생성된 EHP 일부가 재결합을 통하여 소멸됨으로서 전류에 기여하지 못한 결과로 논의하였다. 본 연구 결과로부터 분석한 HT-InGaAs 발생 및 LT-InGaAs 검출에서의 평균 이득은 각각 약 2.5×10-8 A/W과 5×10-8 A/W이었다.
시간지연에 따른 전류신호를 Fouier 변환하여 얻은 FFT THz 진폭 스펙트럼의 주파수 대역은 약 0.5∼2 THz이었으며, 여기 레이저 출력에 대한 신호의 세기는 지수함수적 변화 (I = IO{1 - exp[-P/PO]})를 보였다.
7은 HT-InGaAs 기판에서 얻은 p-D (photoDember) 효과로 발생시킨 THz 특성이다. 외부전압(V B = -3/0/+3 V) 인가에 따른 근소한 차이가 관측되었으나, THz 전류신호와 FFT 주파수 특성은 거의 변화가 없음을 보여 주고 있다. 이 결과는 p-D 효과에 의한 THz 발생은 전자-정공의 이동도 차이에 의한 내부 포텐셜(built-in potential)에 기인한 것으로 외부 전압은 크게 영향을 주지 못하는 것으로 해석된다.
외부전압(V B = -3/0/+3 V) 인가에 따른 근소한 차이가 관측되었으나, THz 전류신호와 FFT 주파수 특성은 거의 변화가 없음을 보여 주고 있다. 이 결과는 p-D 효과에 의한 THz 발생은 전자-정공의 이동도 차이에 의한 내부 포텐셜(built-in potential)에 기인한 것으로 외부 전압은 크게 영향을 주지 못하는 것으로 해석된다.
후속연구
2). 또한, 반도체 기반 초소형 THz photomixer [4, 5]가 실용화되면, 독극물, 마약 등의 판독, 생체물질 분석 등을 통한 실시간 보안검색에 활용될 수 있고, 초고속, 광대역, 고밀도 정보를 송수신할 수 있는 차세대 THz 통신 시스템의 구현이 가능할 것으로 전망된다 [6].
이 차이는 전하수명의 차이 때문으로, 보통, LT-InGaAs 의 신호전류와 반응 주파수 대역은 각각 LT-GaAs의 약 1/20과 1/2 정도를 가진다 [27]. 본 연구결과로 볼 때, LT-InGaAs를 Rx 소자에 채용할 경우에는 낮은 검출도를 고려한 설계가 요구되며, 저온성장 기판과 안테나 구조를 최적화하면 보다 높은 특성의 Rx를 제작할 수가 있을 것으로 기대된다 [28].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
THz 검출 기구에서 사용하는 방법은 무엇이 존재하는가?
THz 검출 기구는 기본적으로 THz 발생의 역과정으로, 전광추출법(electro-optical sampling)과 광전도추출법(photoconductive sampling)의 2가지로 나눌 수 있다.
THz 펄스를 발생시키는 방법은 발생 기구에 따라 나누면 어떤 것이 있는가?
THz 펄스는 대부분 Ti:Sapphire 등과 같은 극초단 펄스 레이저를 이용하여 발생시키는데, 발생 기구에 따라 광정류 (optic rectification), 광전도방출(photoconductive emission), 표면방출(surface emission) 등 크게 3가지로 나눌수 있다.
광정류에 의한 THz 발생은 어떤 약점이 있는가?
광정류에 의한 THz 발생은 비선형 결정에 고강도의 극초단 레이저 펄스를 통과시킬 때 비선형 과정에 의하여 결정이 순간적으로 전기적으로 편광되는 현상을 이용한다. 비선형성이 높은 ZnTe, GaP, GaAs 등이 이용되고 있는 데, 출력과 주파수 대역이 높은 반면 두꺼운 결정과 고강도 fs 펄스 레이저가 요구되는 약점을 가지고 있다. 이와는 달리, 광전도 방출은 반도체 표면에 극초단 펄스 레이저 (＜100 ps)를 조사할 때 생성된 전자-정공쌍(electronhole pair, EHP)에 의하여 반도체가 순간적으로 절연성에서 전도성으로 바뀌는 현상을 이용하는데, 표면에 형성한 전송선 구조에 전압을 인가할 때 전류의 급격한 변화가 THz파를 발생시킨다.
참고문헌 (28)
K. Sakai (Ed.), Terahertz Optoelectronics (Springer, Germany, 2005).
S.-P. Han, H. S. Ko, N. J. Kim, H. -C. Ryu, C. W. Lee, Y. A. Leem, D. H. Lee, M. Y. Jeon, S. K. Noh, H. S. Chun, and K. H. Park, Opt. Lett. 36, 3094 (2011).
S. J. Lee, Z. Ku, A. Barve, J. Montoya, W.-Y. Jang, S. R. J. Brueck, M. Sundaram, A. Reisinger, S. Krishna, and S. K. Noh, Nature Commun. 2, 286 (2011).
S. J. Lee, S. K. Noh, S. H. Bae, and H. Jung, J. Korean Vacuum Soc. 20, 22 (2011).
J. O. Kim, S. J. Lee, D. S. Yee, S. K. Noh, J. H. Shin, K. H. Park, C. Kang, C. -S. Kee, D. W. Park, C. S. Kim, and J. S. Kim, J. Korean Phys. Soc. 58, 1334 (2011).
Y. Ko, S. Sengupta, S. Tomasulo, P. Dutta, and I. Wilke, Phys. Rev. B 78, 035201 (2008).
G. Klatt, F. Hilser, W. Qiao, M. Beck, R. Gebs, A. Bartels, K. Huska, U. Lemmer, G. Bastian, M. B. Johnson, M. Fischer, J. Faist, and T. Dekorsy, Opt. Exp. 18, 4939 (2010).
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