[논문]광대역 테라헤르츠 검출 소자 기술 동향

신준환; 최다혜; 이의수; 문기원; 박동우; 주경일; 김무건; 최경선; 이일민; 박경현

doi:10.22648/etri.2020.j.350406

광대역 테라헤르츠 검출 소자 기술 동향
Trends in Broadband Terahertz Detector Technology 원문보기

전자통신동향분석 = Electronics and telecommunications trends, v.35 no.4, 2020년, pp.53 - 64

신준환 (테라헤르츠연구실) , 최다혜 (테라헤르츠연구실) , 이의수 (테라헤르츠연구실) , 문기원 (테라헤르츠연구실) , 박동우 (테라헤르츠연구실) , 주경일 (테라헤르츠연구실) , 김무건 (테라헤르츠연구실) , 최경선 (테라헤르츠연구실) , 이일민 (테라헤르츠연구실) , 박경현 (테라헤르츠연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

The terahertz (THz) region lies in between the millimeter and infrared spectral bands. A THz wave has the characteristics of non-invasiveness and non-ionization due to low photon energies, while having high penetrability in dielectrics. In addition, since the resonance frequencies of various molecules are included in the THz band, research on the application of spectral analysis and non-destructive testing has been widely studied. Towards this end, the research and development of THz detectors has become increasingly important in order to assess their applications in different areas such as astronomy, security, industrial non-destructive evaluations, biological applications, and wireless communications. In this report, we summarize the operating principles, characteristics, and utilization of various broadband technologies in THz detection devices. Further, we introduce the development status of our Schottky barrier diode technology as one of the broadband THz detectors that can be easily adopted as direct detectors in many fields of applications.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1 테라헤르츠파 검출 방식 (a) 직접 검출 방식 (b) 헤테로다인 검출 방식
그림 그림 2 (a) 검출된 시간영역 THz 파형 (b) 주파수 스펙트럼
표 표 1 불순물 반도체 THz 검출기의 성능
그림 그림 3 초점면 배열형 BIB 검출기
그림 그림 4 광자형 초전도 검출기
그림 그림 5 초전도 볼로미터
표 표 2 비냉각식 볼로미터, 초전형, Golay cell 검출기 성능지표
표 표 3 직접 검출 방식 정류형 테라헤르츠파 검출기 성능지표
그림 그림 6 3×5 배열형 250nm 0.65THz CMOS 이미지
그림 그림 7 현재 상용화된 광대역 SBD 검출모듈
그림 그림 8 광대역 SBD 검출 소자 이미지와 구조에 따른 THz 스펙트럼
그림 그림 10 SBD 모듈의 (a) 헬륨 누설률 테스트 결과 (b) 잔류 가스 분석 결과
그림 그림 9 밀폐형 SBD 검출 모듈
표 표 4 SBD 주요 파라미터 및 모듈 검출 특성

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한, 본 연구실에서는 진행하고 있는 소형의 저가격, 고신뢰성의 광대역 테라헤르츠 검출기의 개발 현황에 대해서도 살펴보았다.
본 고에서는 이와 같이 다양한 광대역 테라헤르츠파 검출 소자 기술에 대한 동작 원리와 특징 및 활용에 대해 정리하고, 본 연구실에서 개발 중인 광대역 테라헤르츠 검출기 중 하나인 광대역 안테나 집적형 쇼트키 장벽 다이오드의 개발 현황에 대해 소개하고자 한다.
본 고에서는 현재까지 활용되고 있는 광대역 테라헤르츠 검술 기술의 특징과 응용에 대해 기술하였다. 또한, 본 연구실에서는 진행하고 있는 소형의 저가격, 고신뢰성의 광대역 테라헤르츠 검출기의 개발 현황에 대해서도 살펴보았다.
또한, 직접 검출 방식과 헤테로다인 검출 방식에 모두 적용 가능하므로 통신, 이미징, 분광 시스템 등 다양한 연구 분야에서 활발히 연구되고 있다. 이 절에서는 현재 가장 많이 연구되고 있는 검출 소자 기술인 다양한 형태의 전계 효과 트랜지스터와 본 연구실에서 개발 중인 쇼트키 장벽 다이오드에 대해 간략히 소개하였다(표 3 참조).

제안 방법

측정이 가능한 장점이 있다. 이 절에서는 다양한 종류의 열형 검출기술 중 대표적인 볼로미터 (Bolometer), 초전형(Pyroelectric), Golay cell을 이용한 기술의 기본 동작 원리 및 연구 동향에 대해 살펴보고 각 검출기별 주요 특성을 비교하였다.
E Golay에 의해 제안된 검출기로서[22], 전자기파가 입사되면 밀폐된 내부에 채워진 가스의 열팽창에 의해 셀의 일부를 구성하는 박막의 변형이 나타나게 된다. 이에 박막 위에 실장되어 있는 가변 거울의 곡률이 동시에 변하게 되어 셀과 결합되어 있는 광학계를 구성하는 광원의 빔 경로의 변화를 야기시켜 정렬되어있는 광다이오드의 출력 변화를 통해 검출하게 된다. 셀 내부의 검출 가스는 열전도도가 낮은 비활성기체인 아르곤(Ar), 제논(Xe)이 주로 사용되며, 검출 가스와 박막 흡수체 간 열전도와 연관된 온도잡음에 의해 성능이 결정된다.

대상 데이터

패키지의 크기는 0.62cc(13×10×4.75mm³)이며 실리콘으로 제작된 서브마운트 위에 초반구형 (Hyper-hemispherical) 실리콘 렌즈가 하우징 내부의쇼트키 배리어 다이오드와 정렬된 상태로 부착된 구조로 되어 있다.

이론/모형

5 등가 잡음 전력, 10^-10sec 이하의 빠른 응답 시간특성으로 Si-MOSFET, Ⅲ-V족 HEMT와 같이 다양한 물질과 구조를 이용하여 단일 픽셀은 물론 배열 구조로 연구되고 있다. FET 검출 소자는 기본적으로 1993년 Dyakonov-Shur에의해 제안된 FET의 채널 내 형성된 전하들에 의한플라즈마파(Plasma Wave)의 외부 전자기파에 대한비선형 응답특성을 이용한 플라즈마파 검출법에 따른다.

성능/효과

가능한 장점이 있다. 또한 모듈 제작 시 소형화에 적합하며, 소자 공정의 최적화를 통한 수율 향상을 통해 가격경쟁력 측면에서도 유리하다.
측정 결과 ~0.2~0.8THz 대역에서 신호가 검출되고 있으며, 0.3THz에서 약 300V/W의 응답도, 330pW/Hz^0.5의 NEP, 30dB의 동적 범위(Dynamic Range)를 가지는 것으로 확인하였다. SBD 검출 소자에 대한 주요 파라미터와 검출 특성을 표 4에 나타내었다.
패키징된 모듈의 헬륨 누설률 측정(MIL-STD- 883H, test method 1014.13) 결과 모든 테스트 모듈이 통과기준을 만족하는 것을 확인하였고, 열충격 테스트(MIL-STD-883J, test method 1011.9), 기계 충격(MIL-STD-883E, test method 2002.3) 및 진동 테스트(MIL-STD-883E, test method 2007.2) 전후쇼트키 배리어 다이오드의 이상계수(Ideality Factor) 의 변화가 각각 9.1%, 2.4%로서 테라헤르츠파의 검출성능에 미치지 않은 수준으로 측정되었다. 그러나 모듈 내부의 잔류 가스 분석(MIL-STD- 883E, test method 1018.
현재 본 연구실에서 중점으로 연구 중인 표면 채널(Surface Channel) 구조의 InGaAs 기반 SBD는 GaAs에 비해 낮은 전계에서도 높은 전자 이동 도를 가지므로 SBD의 대역폭을 결정하는 직렬저항 (Series Resistance)을 줄일 수 있고, ~0.2eV 이하의쇼트키 장벽을 형성하므로 저잡음, zero-bias 검출에 적합하다. 따라서 별도의 동작전원이 필요하지않으므로 검출기를 구성하는데 있어서 크기, 소모전력, 가격 측면에서 장점을 가진다.

후속연구

따라서 향후 소자의 성능이 향상되고 이를 이용한 시스템 개발이 이루어진다면 더욱더 실제 응용 범위가 넓어질 것이다.

참고문헌 (35)

D. Sengupta et al., "Centennial of the Semiconductor Diode Detector," Proc. IEEE , vol. 86, no. 1, 1998, pp. 235-243.

상세보기
T. Otsuji et al., "Trends in the Research of Modern Terahertz Detectors: Plasmon Detectors," IEEE Trans. Terahertz Sci. Tchnol. , vol. 5, no. 6, 2015, pp. 1110-1120.
P. H. Siegel, "Terahertz Technology," IEEE Trans. Microwave Theory Tech. , vol. 50, no. 3, 2002, pp. 910-928.
R. A. Lewis, "A Review of Terahertz Detectors," J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 52, 2019, p. 433001.
M. Dyakonov, "Shallow Water Analogy for a Ballistic Field Effect Transistor: New Mechnism of PLasma Wave Generation by dc Current," Phys. Re.v. Lett. , vol. 71, 1993, pp. 2465-2468.
K. Moon et al., "Low-temperature-grown InGaAs terahertz photomixer embedded in InP thermal spreading layer regrown by metalorganic chemical vapor deposition," Opt. Lett. , vol. 38, 2013, pp. 5466-5469.

상세보기
K. Moon et al., "Generation and Detection of Terahertz Waves using Low-Temperature-Grown GaAs with an Annealing Process," ETRI J. , vol. 36, 2014, pp. 159-162.
R. B. Kohlhaas et al., "photoconductive terahertz detectors with 105 dB peak dynamic range made of rhodium doped InGaAs," Appl. Phys. Lett. , vol. 114, 2019, p. 221103.
A. Rogalski et al., "Terahertz detectors and focal plane arrays," Opto-Electron. Rev. , vol. 19, no. 3, 2011, pp. 346-404.

상세보기
E. T. Young et al., "Far-infrared Imaging Array for SIRTF," Proc. SPIE , vol. 3354, 1998, pp. 57-65.
A. Poglitsch et al., "the Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) for the Herschel Space Laboratory," Proc. SPIE , vol. 7010, 2008, p. 701005.
R. Mills et al., "Evolution of Large Format Impurity Band Conductor Focal Plane Arrays for Astronomy Applications," Proc. SPIE , vol. 8154, 2011, p. 81540.
H. C. Liu et. al., "Terahertz Quantum Well Photodetectors," IEEE J. SEl. Top. Quant. , vol. 14, 2008, pp. 374-377.
A. G. U. Perera et al., "Semiconductor Terahertz Detectors and Absorption Enhancement using Plasmons," Microelectron. J. , vol. 39, 2008, pp. 601-606.

상세보기
H. C. Liu, "Quantum Dot Infrared Photodetector," Opto-Electron. Rev. , vol. 11, 2003, pp. 1-5.

상세보기
O Astafiev et al., "Single-photon Detector in the Microwave Range," Appl. Phys. Lett. , vol. 80, no. 22, 2002, pp. 4250-4252.

상세보기
R. J. Schoelkopf et al., "A Concept for a Submillimeter-Wave Single-Photon Counter," IEEE Trans. Appl. supercond. , vol. 9, no. 2, 1999, pp. 2935-2939.

상세보기
J. J. A. Baselmans et al., "A Kilo-Pixel Imaging System for Future Space based Far-Infrared Observatories using microwave Kinetic Inductance Detectors," A&A. , vol. 601, A89, 2017, pp. 1-16.
F. F. Sizov et al., "Uncooled Detectors Challenges for THz/sub-THz Arrays Imaging," J. Infrared Milli. Terahz. Waves, vol. 32, no. 32, 2011, pp. 1192-1206.
https://www.swissterahertz.com/
F. Sizov et al., "Terahertz Radiation Detectors: the state-ofthe-art," Semicond. Sci. Technol. , vol. 33, 2018, p. 123001.

상세보기
H. A. Zahl et al., "Pneumatic Heat Detector," Rev. Sci. Instrum. , vol. 17, no. 11, 1946, pp. 511-515.
D. R. Denison et. al., "Experimental Characterization of mmwave Detection by a Micro-Array of Golay Cells," Proc. SPIE, vol. 7309, 2009, p. 73090J.
J.-Q. Lu et al., "Terahertz Detector Utilizing Two-Dimensional Electronic Fluid," IEEE Electron Dev. Lett. , vol. 19, no. 10, 1998, pp. 373-375.
Y. Kurita et al., "Ultrahigh Sensitive Sub-Terahertz Detection bu InP-Based asymmetric dual-grating-gate HEMTs and their broadband characteristics," Appl. Phys. Lett. , vol., 104, 2014, p. 251114.
E. Ojefors et al., "A 0.65THz focal-plane array in a quartermicron CMOS technology," IEEE J. Solid-St. Circ. , vol.44, no. 8, 2009, pp. 1968-1976.
https://www.vadiodes.com/en/
https://terasense.com/products/detectors/
https://acst.de/
https://www.teratechcomponents.com/TTC/
MIL-STD-883E,"Test Method Standard Microcircuit,"
E. S. Lee et al., "Semiconductor-Based Terahertz Photonics for Industrial Applications," J. Lightwave Technol. , vol. 36, no. 2, 2018, pp. 274-283.

상세보기
F. Sizov, "THz radiation sensors," Opto-Electron. Rev. , vol. 18, no. 1, 2013, pp. 10-36.
https://sequestim.com/news/
A. Rogalski, "Semiconductor Detectors and Focal Plane Arrays for Far-Infrared Imaging," Opto-Electron. Rev. , vol. 21, no. 4, 2013, pp. 406-426.

상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증