KR101702489B1 - Thermally controlled Silicon based Terahertz modulator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 테라헤르츠 변조기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온도에 의해 제어되는 실리콘 기반의 테라헤르츠 변조기에 관한 것이다.The present invention relates to a terahertz modulator, and more particularly to a temperature-controlled silicon-based terahertz modulator.
테라헤르츠파는 마이크로파와 원적외선의 중간 영역에 속하는 0.1 내지 10 THz 대역의 주파수를 갖는 전자기파로서, 전자의 가속을 이용하는 마이크로파 생성 기술과 반도체의 밴드갭을 이용하는 광파 생성 기술 모두 적용하기가 어려워 개발이 더딘 상태이다.The terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency in the range of 0.1 to 10 THz belonging to an intermediate region between a microwave and a far-infrared ray. It is difficult to apply both a microwave generation technique using an electron acceleration and a wave generation technique using a semiconductor band gap. to be.
테라헤르츠파는 전파의 투과성과 광파의 직진성을 모두 가지고 있으며, 분자 운동의 진동 주파수 영역이 테라헤르츠파 주파수 대역에 위치하므로, 물질의 물성이나 분자연구 등을 위한 분광 시스템, 측정한 분광 특성을 이미지로 형상화하는 이미징 시스템 및 광대역폭을 이용한 초고속 무선 통신 시스템 등 다양한 애플리케이션에 응용가능하다.The terahertz wave has both the permeability of the wave and the linearity of the light wave. Since the oscillation frequency range of the molecular motion is located in the terahertz wave frequency band, the spectral system for the physical properties and molecular studies of the material, And can be applied to various applications such as a high-speed wireless communication system using a wide bandwidth.
현재, 테라헤르츠파 관련하여 테라헤르츠 파의 생성과 검출 기술 그리고 테라헤르츠파의 특성을 이용한 응용 기술에 개발역량이 집중되고 있으나, 테라헤르츠 대역에서 이용할 수 있는 소자의 개발은 마이크로파 또는 광파 대역에 비해 미약한 실정이다.Currently, the development capabilities of terahertz wave generation and detection technology and application technology using the characteristics of terahertz wave are concentrated, but the development of a device that can be used in the terahertz band is inferior to microwave or light wave band It is weak.
또한, 테라헤르츠파 주파수 대역에서는 대부분의 자연계 물질의 전기적, 자기적 특성이 소재 개발에 적합하지 않다는 문제점을 어려움을 가지고 있다.Also, in the terahertz wave frequency band, it is difficult to solve the problem that the electric and magnetic properties of most natural materials are not suitable for material development.
따라서, 메탈이나 유전체 물질을 이용하여 파장에 비하여 매우 작은 구조를 주기적으로 배열함으로써 전체 구조를 균일한 물질로, 인공적으로 그 특성을 조절할 수 있는 메타물질이 연구되고 있다.Therefore, a meta material capable of adjusting the overall structure of a material uniformly and artificially by arranging a very small structure periodically compared to a wavelength using a metal or a dielectric material has been studied.
메타물질은 구조가 파장에 대비하여 매우 작은 크기로 만들어지기 때문에 광학 주파수 대역보다 테라헤르츠 대역에서 그 활용도가 크며, 메타물질의 특성은 메타물질을 형성하는 기판의 유전율에 의해 상이하다.Since the structure of a metamaterial is made to be very small in size relative to a wavelength, its utilization in a terahertz band is larger than that of an optical frequency band, and the characteristics of a metamaterial differ depending on the permittivity of a substrate forming the metamaterial.
메타물질을 형성하는 기판은, 광학적 펌핑, 전압 인가, 온도 변화를 통해 그 특성의 변화가 가능하다. 최근 이산화바나듐(VO2)을 기반으로 한 메타물질 소자가 개발되고 있는데, 이산화바나듐은 온도에 따라서 그 격자 구조가 변하여 유전체상에서 금속상으로 변화함에 따라 도전율 변화가 일어난다. 이러한 이산화바나듐 물질의 상변화는 주로 외부에 위치한 온도변환장치를 통해 조절할 수 있다.The substrate on which the metamaterial is formed can change its characteristics through optical pumping, voltage application, and temperature change. Recently, a meta-material device based on vanadium dioxide (VO2) has been developed. As the lattice structure changes according to temperature, vanadium dioxide changes conductivity as the metal is changed from dielectric to metal. The phase change of the vanadium dioxide material can be controlled mainly through an external temperature converter.
즉, 현재까지 GaAs 또는 그래핀 등의 기판을 기반으로 전기적으로 제어하거나, 광학 펌핑을 이용하여 광학적으로 제어하는 테라헤르츠 변조기가 있으며, 온도 조절을 통하여 VO2의 금속-절연체 전이 성질을 이용한 열 변조기가 개발되고 있다. In other words, there is a terahertz modulator that is optically controlled based on a substrate such as GaAs or graphene or optically controlled using optical pumping up to now, and a thermodulator using the metal-insulator transition property of VO2 through temperature control Is being developed.
그러나 선행 특허 중에서 실리콘 반도체의 이동도 변화에 따라 실리콘 전도성을 변화하는 현상을 이용하여 실리콘 기판을 기반으로 개발된 테라헤르츠 변조기는 공개되어 있지 않다.However, the terahertz modulator developed on the basis of the silicon substrate using the phenomenon that the silicon conductivity changes according to the mobility of silicon semiconductor in the prior patent is not disclosed.
본 발명은 테라헤르츠 변조기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온도에 의해 제어되는 실리콘 기반의 테라헤르츠 변조기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a terahertz modulator, and more particularly, to a temperature-controlled silicon-based terahertz modulator.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기는 제1 실리콘 층; 상기 제1 실리콘 층 상의 산화층; 상기 산화층 상의 제2 실리콘 층; 및 제2 실리콘 층 상에 마련된 메타물질로 이루어진 전극층을 포함할 수 있다.A terahertz modulator according to an embodiment of the present invention includes a first silicon layer; An oxide layer on the first silicon layer; A second silicon layer on the oxide layer; And an electrode layer made of a metamaterial provided on the second silicon layer.
상기 제1 실리콘 층의 두께는 상기 제2 실리콘 층의 두께의 250배인 것을 특징으로 할 수 있다.The thickness of the first silicon layer may be 250 times the thickness of the second silicon layer.
상기 산화층과 상기 제2 실리콘 층의 두께는 동일한 것을 특징으로할 수 있다.The thickness of the oxide layer and the thickness of the second silicon layer may be the same.
상기 전극층은 제1 전극층 및 상기 제1 전극층과 절연된 제2 전극층을 포함하며, 상기 제1 전극층은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 및 금(Au)를 포함하고, 상기 제2 전극층은 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함할 수 있다.Wherein the electrode layer includes a first electrode layer and a second electrode layer insulated from the first electrode layer, wherein the first electrode layer includes titanium (Ti), aluminum (Al), and gold (Au) (Ti), palladium (Pd), and gold (Au).
상기 전극층은 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 마련된 질화규소막을 더 포함할 수 있다.The electrode layer may further include a silicon nitride film provided between the first electrode layer and the second electrode layer.
상기 제1 전극층은 p타입의 오믹금속으로 이루어지며, 긴 막대 형태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.The first electrode layer may be formed of a p-type ohmic metal and may have a long rod shape.
상기 제2 전극층은 각각 슬롯을 가지는 복수의 단위 셀들의 어레이 형태로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.The second electrode layer may be an array of a plurality of unit cells each having a slot.
상기 단위 셀과 상기 슬롯은 직사각형 형태이며, 상기 슬롯은 상기 단위셀의 가로 방향으로 연장되며, 상기 단위셀의 중앙에 위치할 수 있다.The unit cell and the slot may have a rectangular shape, and the slot may extend in the transverse direction of the unit cell and may be located at the center of the unit cell.
상기 단위셀의 세로 길이는 상기 슬롯의 세로 길이의 10배 내지 11배인 것을 특징으로 할 수 있다.The vertical length of the unit cell may be 10 to 11 times the vertical length of the slot.
상기 단위셀의 가로 길이는 상기 슬롯의 가로 길이의 1.08배 내지 1.1배인 것을 특징으로 할 수 있다.The transverse length of the unit cell may be 1.08 times to 1.1 times the transverse length of the slot.
상기 제2 실리콘 층의 두께는 전극층의 두께의 5배 내지 8배인 것을 특징으로 할 수 있다.And the thickness of the second silicon layer is 5 to 8 times the thickness of the electrode layer.
상기 제1 실리콘 층의 정공 농도는 1013*1/㎤이며, 상기 제2 실리콘 층의 정공 농도는 2.8*1017*1/㎤인 것을 특징으로 할 수 있다.The first silicon layer has a hole concentration of 10 13 * 1 / cm 3, and the second silicon layer has a hole concentration of 2.8 * 10 17 * 1 / cm 3.
상기 테라헤르츠 변조기는 상기 전극층에 인가하는 전압에 따라 투과도가 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다.The terahertz modulator may be characterized in that the transmittance changes according to a voltage applied to the electrode layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기를 제조하는 제조방법은, 상기 제1 실리콘 층 상에 산화층을 형성하는 단계; 상기 산화층 상에 제2 실리콘 층을 형성하는 단계; 상기 형성된 제1 실리콘 층, 산화층 및 제2 실리콘 층을 황산과 과산화수소의 혼합액에서 클리닝하는 단계; 상기 클리닝 이후, 불산에서 습식식각하는 단계; 및 상기 습식식각 이후, 제1 전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.A fabrication method for fabricating a terahertz modulator according to an embodiment of the present invention includes: forming an oxide layer on the first silicon layer; Forming a second silicon layer on the oxide layer; Cleaning the formed first silicon layer, the oxide layer and the second silicon layer in a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide; Wet etching in hydrofluoric acid after the cleaning; And forming the first electrode layer after the wet etching.
상기 제1 전극층은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 및 금(Au)을 포함하며, p타입 오믹 금속 조합인 것을 특징으로 할 수 있다.The first electrode layer may include titanium (Ti), aluminum (Al), and gold (Au), and may be a p-type ohmic metal combination.
상기 제1 전극층 형성이후, RTA(Rapid Thermal Annealing)에서 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the formation of the first electrode layer, heating may be further performed in RTA (Rapid Thermal Annealing).
상기 가열 이후, 상기 제2 실리콘 층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the heating, forming the second electrode layer on the second silicon layer may further include forming a second electrode layer on the second silicon layer.
상기 가열 이후, PECVD 장비에서 상기 제1 전극층 및 상기 제2 실리콘 층 상에 질화규소막을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the heating, a step of depositing a silicon nitride film on the first electrode layer and the second silicon layer in the PECVD equipment may be further included.
상기 증착 이후, 상기 질화규소막 상에 슬롯 형태의 제2 전극층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the deposition, the method may further include depositing a second electrode layer in a slot shape on the silicon nitride film.
본 발명에 의하면, 온도에 따른 실리콘 반도체의 이동도 변화에 따라 실리콘 전도성을 변화하는 현상을 이용하는 실리콘 기반의 테라헤르츠 변조기를 제조할 수 있다는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to manufacture a silicon-based terahertz modulator that utilizes the phenomenon that the silicon conductivity changes according to the mobility of the silicon semiconductor depending on the temperature.
더불어 이러한 실리콘 기반의 테라헤르츠 변조기는 63%의 투과도 변조특성을 얻을 수 있어 효율적임을 알 수 있다.In addition, it can be seen that this silicon based terahertz modulator is effective because it achieves 63% transmittance modulation characteristics.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 전극층을 구성하는 단위 셀의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 실리콘 층의 전도도 변화에 따른 투과율의 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 온도, 이동도 변화에 따른 전도도 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 온도 변화에 따른 이동도 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 온도 변화에 따른 전도도 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 I-V 특성을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 전압에 따른 투과도 특성을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 전압에 따른 투과도 특성을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 제조방법을 간략히 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a structure of a terahertz modulator according to a first embodiment of the present invention.
2 is a view schematically showing a structure of a terahertz modulator according to a second embodiment of the present invention.
3 is a view schematically showing a structure of a unit cell constituting an electrode layer of a terahertz modulator according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a change in transmittance according to a change in conductivity of a second silicon layer according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the change in conductivity with temperature and mobility.
6 is a graph showing a change in mobility with temperature change.
7 is a graph showing the change in conductivity with temperature change.
8 is a graph showing the IV characteristics of a terahertz modulator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing a transmission characteristic according to a voltage of a terahertz modulator according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG.
10 is a graph showing a transmission characteristic according to a voltage of a terahertz modulator according to a second embodiment of the present invention.
11 is a view schematically showing a method of manufacturing a terahertz modulator according to the first and second embodiments of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 테라 헤르츠 변조기 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, a terahertz modulator and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention in order to clarify the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a part or a combination thereof is described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 구조를 간략히 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 구조를 간략히 도시한 도면이다.FIG. 1 is a view briefly showing a structure of a THz modulator according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view schematically showing a structure of a THz modulator according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예의 차이는 전극층을 구성하는 제1 전극층(40)과 제2 전극층(50)의 배치에 있다. 본 발명의 제1 실시예 그리고 제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기는 제1 실리콘 층(10), 제1 실리콘 층(10) 상의 산화층(20), 산화층(20) 상의 제2 실리콘 층(30) 및 제2 실리콘 층(30) 상에 마련된 메타물질로 이루어진 전극층을 포함할 수 있다.The difference between the first embodiment and the second embodiment of the present invention lies in the arrangement of the
이러한 전극층은 제1 전극층(40) 및 제1 전극층(40)과 절연된 제2 전극층(50)을 포함하며, 제1 전극층(40)은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 및 금(Au)를 포함하고, 제2 전극층(50)은 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함할 수 있다.The electrode layer includes a
제1 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기에서, 제1 전극층(40)과 제2 전극층(50) 모두 제2 실리콘 층(30) 상에 마련되나, 제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 경우, 제1 전극층(40)과 제2 전극층(50) 사이에 질화규소막(60)이 마련된다. In the terahertz modulator according to the first embodiment, both the
제1 실리콘 층(10)의 두께는 제2 실리콘 층(30)의 두께의 250배이며, 구체적인 일 예로서, 제1 실리콘 층(10)의 두께는 500㎛이며, 제2 실리콘 층(30)의 두께는 2㎛일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The thickness of the
산화층(20)은 산화규소층일 수 있고, 산화층(20)의 두께와 제2 실리콘 층(30)의 두께는 동일하다. 또한 제2 실리콘 층(30)의 두께는 전극층 두께의 5배 내지 8배일 수 있다. 구체적으로 제2 실리콘 층(30)의 두께가 2㎛ 인 경우, 0.26 내지 0.54㎛일 수 있다.The oxide layer 20 may be a silicon oxide layer, and the thickness of the oxide layer 20 and the thickness of the
제1 전극층(40)은 p 타입의 오믹 금속층으로 이루어지며, 일 예로써 티타늄-알루미늄-티타늄-금의 순으로 70nm-70nm-30nm-200nm로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The
제2 전극층(50)은 일 예로써 티타늄-팔라듐-금 순으로 60nm-60nm-100nm로 이루어질 수 있고, 질화규소막(60)의 두께는 50nm로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the
실리콘 층의 전기 전도도는 온도 의존성을 가지며, 전극층에 전력을 인가하여 소자의 온도를 변화시켜 테라헤르츠 파의 투과도를 조정할 수 있다. 즉, 인가되는 전력에 따라 특정 주파수에서 작동될 수 있다.The electrical conductivity of the silicon layer has a temperature dependency, and it is possible to adjust the transmittance of the terahertz wave by changing the temperature of the device by applying electric power to the electrode layer. That is, it can be operated at a specific frequency depending on the applied power.
제1 실리콘 층(10), 산화층(20) 및 제2 실리콘 층(30)으로 이루어진 SOI기판 상에 전극층을 구성할 때와 그렇지 않은 경우의 필터 특성을 보면, SOI 기판이 없는 경우에는 대역 통과 필터로서 1.30THz에서 공진하였고, 투과도는 1.0에 근접하였다. 그러나, SOI 기판이 있는 경우는 공진지점이 0.55THz였으며, 투과도 또한 0.03으로 감소하였다. 이는 기판의 유전율, 두께 및 전도성의 영향 때문이다.The filter characteristics when the electrode layer is formed on the SOI substrate made of the
기판에 의한 영향은 맥스웰 식으로부터 유추가능하다.The influence of the substrate can be inferred from the Maxwell equation.
이러한 맥스웰 식으로부터 다음과 같은 파동 방정식을 얻을 수 있다.From this Maxwell equation, the following wave equation can be obtained.
여기서, 파동상수 감마는 다음과 같이 정의된다.Here, the wave constant gamma is defined as follows.
굴절률은 다음과 같이 정의된다.The refractive index is defined as follows.
입사파가 수직인 경우를 한정하여 투과계수를 구하면,When the transmission coefficient is obtained by limiting the case where the incident wave is vertical,
따라서, 투과도는 다음과 같은 식으로 정의될 수 있다.Therefore, the transmittance can be defined by the following equation.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 전극층을 구성하는 단위 셀의 구조를 간략히 도시한 도면이다.3 is a view schematically showing a structure of a unit cell constituting an electrode layer of a terahertz modulator according to an embodiment of the present invention.
제2 전극층(50)의 경우 각각이 슬롯을 갖는 단위 셀들의 어레이로 이루어져 있다. 단위 셀과 슬롯 모두 직사각형 형태를 가지며, 슬롯은 단위 셀의 중앙부에 가로방향으로 연장되어 배치될 수 있다.And the
일 예로 단위 셀의 세로 길이는 슬롯 세로 길이의 10배 내지 11배일 수 있고, 단위 셀의 가로 길이는 슬롯의 가로 길이의 1.08배 내지 1.1배일 수 있다. 바람직하게는 단위셀의 세로길이는 84㎛이며, 가로 길이는 126㎛이고, 슬롯의 세로 길이는 8㎛, 슬롯의 가로길이는 116㎛일 수 있다.For example, the vertical length of the unit cell may be 10 to 11 times the vertical length of the slot, and the width of the unit cell may be 1.08 to 1.1 times the width of the slot. Preferably, the vertical length of the unit cell is 84 占 퐉, the horizontal length is 126 占 퐉, the vertical length of the slot is 8 占 퐉, and the width of the slot is 116 占 퐉.
이러한 단위셀은 세로 방향으로 40개, 가로 방향으로 60개로 이루어져, 제2 전극층(50)은 총 2400개의 단위 셀들의 배열로 구성될 수 있다.The unit cells may be 40 units in the vertical direction and 60 units in the horizontal direction, and the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 실리콘 층(30)의 전도도 변화에 따른 투과율의 변화를 도시한 그래프이며, 도 5는 온도, 이동도 변화에 따른 전도도 변화를 도시한 그래프이고, 도 6은 온도 변화에 따른 이동도 변화를 도시한 그래프이며, 도 7은 온도 변화에 따른 전도도 변화를 도시한 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing a change in transmittance according to a change in conductivity of the
도 4를 참조하면, 전도성이 높아질수록 일정 주파수에서의 투과율은 낮아짐을 알 수 있다. 그리고 도 5를 참조하면, 불순물이 첨가된 Extrinsic 영역에서 온도가 증가하더라고 450K까지는 밀도의 변화가 없음을 알 수 있다. 도 6을 참조하면 온도가 증가함에 따라서 이동도는 감소함을 알 수 있으며, 도 7을 참조하면 대략적으로 200 K이상에서는 온도가 증가함에 따라서 전도성이 감소함을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, as the conductivity increases, the transmittance at a certain frequency decreases. Referring to FIG. 5, it can be seen that although the temperature is increased in the extrinsic region to which the impurity is added, there is no change in density up to 450K. Referring to FIG. 6, it can be seen that the mobility decreases with increasing temperature. Referring to FIG. 7, when the temperature is higher than about 200 K, the conductivity decreases as the temperature increases.
실리콘의 전도성은 아래와 같은 식으로 계산되어 진다.Conductivity of silicon is calculated as follows.
도핑된 실리콘의 전도성은 전공의 농도에 의해 결정되므로, 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.Since the conductivity of doped silicon is determined by the concentration of the major, it can be expressed by the following equation.
온도가 증가함에 따라서 캐리어 농도(ni)는 증가하지만, 전공농도는 다음과 같이 온도 변화가 150K가 있더라도 별 차이가 없다.As the temperature increases, the carrier concentration (ni) increases, but the concentration does not change much even if the temperature change is 150K as follows.
즉, 온도에 따른 도핑된 실리콘의 저항도 변화는 이동도에 의한 영향이 크다는 것을 알 수 있다.That is, it can be seen that the change in the resistance of the doped silicon with temperature is influenced by the mobility.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기는 전극층을 통해 전력을 인가하면 온도가 증가하는데, 온도가 증가하면 이동도가 감소하고, 이동도가 감소하면 전도도가 감소(저항도가 높아짐)하며, 전도도가 감소하면 투과율은 높아짐을 이용하고 있다.That is, in the THz modulator according to an embodiment of the present invention, when power is applied through the electrode layer, the temperature increases. As the temperature increases, the mobility decreases. When the mobility decreases, the conductivity decreases (the resistance increases) And the transmittance increases as the conductivity decreases.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 I-V 특성을 도시한 그래프이며, 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 전압에 따른 투과도 특성을 도시한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 전압에 따른 투과도 특성을 도시한 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing IV characteristics of a THz modulator according to an embodiment of the present invention, FIG. 9 is a graph showing a transmission characteristic according to a voltage of a THz modulator according to the first embodiment of the present invention, 10 is a graph showing a transmission characteristic according to a voltage of a terahertz modulator according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기 소자에 전기적 동작 특성을 도 8 내지 도 10을 통해 살펴볼 수 있다. Electrical operation characteristics of the terahertz modulator device according to an embodiment of the present invention can be seen from FIGS. 8 to 10. FIG.
소자에 전압을 인가하기 위해 와이어 본딩작업이 PCB 기판에 이루어지며, PCB 기판의 중앙에 지금 5mm의 구멍을 뚫어 투과도를 측정하였다. 소자의 I-V 특성은 파라미터 분석기에 의해 측정했는데, 제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 경우 게이트 누설전류로 볼 수 있으며, 제1 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 경우 더 많은 전류를 주입시킬 수가 있어, 0V 대비 15V의 투과도 변조특성은 63%였다.In order to apply the voltage to the device, the wire bonding operation was performed on the PCB substrate, and the 5 mm hole was drilled in the center of the PCB substrate to measure the transmittance. The IV characteristic of the device is measured by a parameter analyzer. In the case of the terahertz modulator according to the second embodiment, it can be regarded as a gate leakage current. In the case of the terahertz modulator according to the first embodiment, more current can be injected , And the transmittance modulation characteristic of 15 V versus 0 V was 63%.
측정된 투과도는 0V에서 0.034 그리고 15V에서 0.092였다. 변조특성은 아래의 식으로 계산할 수 있다.The measured transmittance was 0.034 at 0V and 0.092 at 15V. The modulation characteristic can be calculated by the following equation.
제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 경우, 제1 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기보다는 적은 전류가 인가되어, 발생되어진 열적인 변화가 적음에 따라 0V에서는 0.042, 그리고 15V에서는 0.080으로 측정되었다. 주어진 투과도를 변조지수로 계산하면 48%로서, 제1 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 효율이 약간 더 좋음을 알 수 있다.In the case of the terahertz modulator according to the second embodiment, less current was applied than in the terahertz modulator according to the first embodiment, and as a result less thermal change was generated, 0.042 at 0 V and 0.080 at 15 V were measured. It can be seen that the efficiency of the terahertz modulator according to the first embodiment is slightly better at 48% when the given transmittance is calculated by the modulation index.
도 11은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 제조방법을 간략히 도시한 도면이다.11 is a view schematically showing a method of manufacturing a terahertz modulator according to the first and second embodiments of the present invention.
도 11을 참조하면 먼저 p 타입의 오믹 금속을 형성한 이후에 p타입의 쇼트키 금속을 형성하는 방식과, p타입의 오믹 금속을 형성한 이후, 질화규소층(60)을 적층한 후, 게이트 금속을 형성하는 방식을 알 수 있다.Referring to FIG. 11, a p-type Schottky metal is formed first after p-type ohmic metal is formed, a
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 제조 방법은Specifically, a method for fabricating a terahertz modulator according to an embodiment of the present invention includes:
제1 실리콘 층(10) 상에 산화층(20)을 형성하는 단계, 산화층(20) 상에 제2 실리콘 층(30)을 형성하는 단계, 형성된 제1 실리콘 층(10), 산화층(20) 및 제2 실리콘 층(30)을 황산과 과산화수소의 혼합액에서 클리닝하는 단계, 클리닝 이후, 불산에서 습식식각하는 단계 및 습식식각 이후, 제1 전극층(40)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Forming an oxide layer 20 on the
앞서 살펴본 바와 같이 제1 전극층(40)은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 및 금(Au)을 포함하며, p타입 오믹 금속 조합일 수 있다.As described above, the
테라헤르츠 변조기는 제1 전극층(40), 산화층(20), 제2 전극층(50)을 포함하는 SOI(silicon on insulator)기판으로부터 제작되는데, 제작된 SOI 기판의 일예로서, 표면부터 2㎛ 두께의 제2 실리콘 층(30), 2㎛ 두께의 산화층(20), 500㎛ 두께의 제1 실리콘 층(10)으로 구성되어 테라헤르츠 파의 투과도를 변조시킨다. 게이트 금속을 구성하고 있는 메타물질의 단위격자 크기는 예컨대 126×84 ㎛2이며, 주기적으로 배열된 전체 크기는 예컨대 5000×5000 ㎛2이다. 게이트 메탈의 전체 크기는 THz-TPS 장비에서 측정빔의 최소 크기이며, 소자의 크기가 측정빔의 최소 크기보다 작을 시 예측되어지는 계산값과 다른 측정값이 나올 것으로 예상될 수 있다. The terahertz modulator is fabricated from an SOI (silicon on insulator) substrate including a
제조된 SOI 기판을 piranha 용액(황산 : 과산화수소 = H2SO4 : H2O2 = 4 : 1)에서 3 분 동안 클리닝 작업을 한다. 이후 piranha 용액 클리닝 작업 중 생긴 산화규소막을 제거하기 위하여, 불산(HF)에서 2 분 동안 습식 식각을 한다. 클리닝 작업이 모두 끝난 후, p 타입 오믹 금속조합인 Ti/Al/Ti/Au을 70 nm / 70 nm / 30 nm / 200 nm를 올린다. 그리고 오믹 금속의 오믹 형성을 위해 RTA(Rapid Thermal Annealing)에서 450에서 1 분 동안 가열을 시킨다. 오믹 금속인 제1 전극층(40)은 긴 막대형태를 가졌으며, 접지 역할로 작용하게 된다. 이어서 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)장비에서 질화규소막(60) 50 nm를 증착시킨다. 제1 실시예에 따른 테라헤르츠 제조에서는 이와 같은 질화규소막(60) 증착과정이 생략된다. 이후 슬롯형태를 띈 게이트 메탈인 제2 전극층(50)을 증착시킨다. And the cleaning operation for three minutes in the produced SOI substrate piranha solution (sulfuric acid: aqueous hydrogen peroxide = H 2 S O 4:: H 2
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.
Claims (19)
상기 제1 실리콘 층 상의 산화층;
상기 산화층 상의 제2 실리콘 층; 및
제2 실리콘 층 상에 마련된 메타물질로 이루어진 전극층을 포함하는,
테라헤르츠 변조기.
A first silicon layer;
An oxide layer on the first silicon layer;
A second silicon layer on the oxide layer; And
And an electrode layer made of a metamaterial provided on the second silicon layer.
Terahertz modulator.
상기 제1 실리콘 층의 두께는 상기 제2 실리콘 층의 두께의 250배인 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the first silicon layer is 250 times the thickness of the second silicon layer.
Terahertz modulator.
상기 산화층과 상기 제2 실리콘 층의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the oxide layer and the thickness of the second silicon layer are the same.
Terahertz modulator.
상기 전극층은 제1 전극층 및 상기 제1 전극층과 절연된 제2 전극층을 포함하며,
상기 제1 전극층은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 및 금(Au)를 포함하고,
상기 제2 전극층은 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함하는,
테라헤르츠 변조기.
The method according to claim 1,
Wherein the electrode layer includes a first electrode layer and a second electrode layer insulated from the first electrode layer,
Wherein the first electrode layer includes titanium (Ti), aluminum (Al), and gold (Au)
Wherein the second electrode layer comprises titanium (Ti), palladium (Pd), and gold (Au).
Terahertz modulator.
상기 전극층은 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 마련된 질화규소막을 더 포함하는,
테라헤르츠 변조기.
5. The method of claim 4,
Wherein the electrode layer further comprises a silicon nitride film provided between the first electrode layer and the second electrode layer,
Terahertz modulator.
상기 제1 전극층은 p타입의 오믹금속으로 이루어지며, 긴 막대 형태를 갖는 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기.
5. The method of claim 4,
Wherein the first electrode layer is formed of a p-type ohmic metal and has a long rod shape.
Terahertz modulator.
상기 제2 전극층은 각각 슬롯을 가지는 복수의 단위 셀들의 어레이 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기.
5. The method of claim 4,
Wherein the second electrode layer is in the form of an array of a plurality of unit cells each having a slot.
Terahertz modulator.
상기 단위 셀과 상기 슬롯은 직사각형 형태이며, 상기 슬롯은 상기 단위셀의 가로 방향으로 연장되며, 상기 단위셀의 중앙에 위치하는,
테라헤르츠 변조기.
8. The method of claim 7,
Wherein the unit cells and the slots are rectangular in shape, the slots extending in the transverse direction of the unit cells,
Terahertz modulator.
상기 단위셀의 세로 길이는 상기 슬롯의 세로 길이의 10배 내지 11배인 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기.
9. The method of claim 8,
Wherein the vertical length of the unit cell is 10 to 11 times the vertical length of the slot.
Terahertz modulator.
상기 단위셀의 가로 길이는 상기 슬롯의 가로 길이의 1.08배 내지 1.1배인 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기.
9. The method of claim 8,
Wherein the transverse length of the unit cell is 1.08 times to 1.1 times the transverse length of the slot.
Terahertz modulator.
상기 제2 실리콘 층의 두께는 전극층의 두께의 5배 내지 8배인 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the second silicon layer is 5 to 8 times the thickness of the electrode layer.
Terahertz modulator.
상기 제1 실리콘 층의 정공 농도는 1013*1/㎤이며, 상기 제2 실리콘 층의 정공 농도는 2.8*1017*1/㎤인 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기.
The method according to claim 1,
Wherein the first silicon layer has a hole concentration of 10 13 * 1 / cm 3 and the second silicon layer has a hole concentration of 2.8 * 10 17 * 1 /
Terahertz modulator.
상기 테라헤르츠 변조기는 상기 전극층에 인가하는 전압에 따라 투과도가 변화하는 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기.
The method according to claim 1,
Wherein the transmittance of the terahertz modulator changes according to a voltage applied to the electrode layer.
Terahertz modulator.
상기 제1 실리콘 층 상에 산화층을 형성하는 단계;
상기 산화층 상에 제2 실리콘 층을 형성하는 단계;
상기 형성된 제1 실리콘 층, 산화층 및 제2 실리콘 층을 황산과 과산화수소의 혼합액에서 클리닝하는 단계;
상기 클리닝 이후, 불산에서 습식식각하는 단계; 및
상기 습식식각 이후, 제1 전극층을 형성하는 단계를 포함하는,
테라헤르츠 변조기의 제조 방법.
A manufacturing method for manufacturing the terahertz modulator of claim 1,
Forming an oxide layer on the first silicon layer;
Forming a second silicon layer on the oxide layer;
Cleaning the formed first silicon layer, the oxide layer and the second silicon layer in a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide;
Wet etching in hydrofluoric acid after the cleaning; And
And forming a first electrode layer after the wet etching.
Method of manufacturing a terahertz modulator.
상기 제1 전극층은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 및 금(Au)을 포함하며, p타입 오믹 금속 조합인 것을 특징으로 하는,
테라헤르츠 변조기의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the first electrode layer comprises titanium (Ti), aluminum (Al), and gold (Au) and is a p-type ohmic metal combination.
Method of manufacturing a terahertz modulator.
상기 제1 전극층 형성이후, RTA(Rapid Thermal Annealing)에서 가열하는 단계를 더 포함하는,
테라헤르츠 변조기의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
Further comprising the step of heating in RTA (Rapid Thermal Annealing) after forming the first electrode layer.
Method of manufacturing a terahertz modulator.
상기 가열 이후, 상기 제2 실리콘 층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
테라헤르츠 변조기의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
Further comprising forming a second electrode layer on the second silicon layer after the heating,
Method of manufacturing a terahertz modulator.
상기 가열 이후, PECVD 장비에서 상기 제1 전극층 및 상기 제2 실리콘 층 상에 질화규소막을 증착하는 단계를 더 포함하는,
테라헤르츠 변조기의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
Further comprising depositing a silicon nitride film on the first electrode layer and the second silicon layer in the PECVD equipment after the heating,
Method of manufacturing a terahertz modulator.
상기 증착 이후, 상기 질화규소막 상에 슬롯 형태의 제2 전극층을 증착하는 단계를 더 포함하는,
테라헤르츠 변조기의 제조 방법.19. The method of claim 18,
Further comprising depositing a slotted second electrode layer on the silicon nitride film after the deposition,
Method of manufacturing a terahertz modulator.
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|---|---|---|---|---|
| CN112285952A (en) * | 2020-09-17 | 2021-01-29 | 首都师范大学 | Programmable terahertz memory modulation device and system based on vanadium dioxide |
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| CN112285952B (en) * | 2020-09-17 | 2023-11-24 | 首都师范大学 | Programmable terahertz memory modulation device and system based on vanadium dioxide |
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