Tunable Terahertz Filter using Vanadium Dioxide based Metasurface

Abstract

Recently, various terahertz wave modulation technologies have been studied as the potential for application has grown in domains, such as material analysis, bio-imaging, security screening, and astronomy. Among them, a lot of research have been reported to control terahertz waves utilizing metasurface, which refer to a two dimensional metamaterial. However, the reconfigurable frequency selective and amplitude modulation technology are still immature yet. For these reasons, in this thesis, we propose an electrically tunable THz filter using vanadium dioxide based metasurface, including its design, fabrication, and analysis method. Vanadium dioxide is a kind of insulator-to-metal (IMT) phase transition material whose transition temperature is nearby 68°C. In this research, using RF-magnetron sputter, vanadium dioxide thin film was deposited on a quartz wafer exhibiting high terahertz transmittance. Also, the thin film characteristics were analyzed via XRD and SEM in order to optimize post-annealing condition. Furthermore, the IMT behavior with memory properties and conductivity variation was measured through the terahertz transmittance and electrical characteristics of the thin film. As a result, the 10000 times conductivity switching was observed. The terahertz metasurface filter device was designed using full-wave electromagnetic field simulation and realized via semiconductor process. By integrating etched-vanadium dioxide thin film into a metasurface filter, the metasurface was designed to trigger IMT of vanadium dioxide so that the transmittance and resonance frequency can be tuned by electrical stimulus. Depending on the incident polarization direction of terahertz wave, it exhibited a tunable band-pass filter and band-stop filter when bias current flows to the device, whose central frequency shifts from 0.52 THz to 1.09 THz and resonance frequency from 1.73 THz to 1.18 THz, respectively. Especially, tunable band-pass performance was compared with other literature in this research. Lastly, through the difference between the horizontal and vertical phase responses, the electrically reconfigurable polarization rotator characteristics were evaluated and the 70° maximum polarization rotation angle was realized at 1.1 THz. The proposed metasurface filter is expected to be utilized in several applications that require the ability to dynamic control terahertz wave, such as astronomy, 6G wireless communication, and imaging. In addition, through this work, we contribute to research on the application of vanadium dioxide, which is attracting attention as a next-generation functional material, such as non-volatile memory device.|최근 테라헤르츠파가 물성 분석, 바이오 이미징, 보안검색, 우주기술 등에 활용될 수 있는 가능성이 밝혀지면서, 다양한 테라헤르츠파 변조기술이 연구되고 있다. 그중에서 2차원 형태의 메타물질인 메타표면을 적용하여 테라헤르츠파를 제어하려는 연구들이 많이 보고되었다. 하지만, 테라헤르츠파의 원하는 주파수 대역을 능동적으로 선택하거나, 신호의 크기를 변조하는 기술은 아직 미흡하다. 이에 본 학위연구에서는 전기적인 방법으로 테라헤르츠파 변조가 가능한 이산화바나듐 기반 메타표면을 이용한 주파수 가변 테라헤르츠 필터를 개발하였다. 이산화바나듐은 대표적인 절연체-금속 상변이 물질로 섭씨 68도 부근에서 상변이가 일어난다. 이에 이산화바나듐 박막을 RF-마그네트론 스퍼터를 이용하여 테라헤르츠파 투과도가 높은 쿼츠웨이퍼에 증착하였고 XRD, SEM을 통해 박막 특성을 분석하며 열처리 조건을 최적화 하였다. 또한, 박막의 테라헤르츠 투과율, 전기적 특성 분석방법을 통해 상전이 메모리 특성과 전도도 변화를 측정하여, 상전이시 만배 이상의 전도도 변화를 달성하였다. 테라헤르츠 메타표면 필터 소자는 전자기장 시뮬레이션을 이용해 설계, 반도체공정을 이용하여 제작되었다. 식각된 이산화바나듐 박막을 메타표면 필터에 집적함으로써, 전기적인 방법으로 이산화바나듐의 상전이를 일으켜 테라헤르츠파의 투과도 및 공진주파수를 조절할 수 있도록 메타표면이 설계되었다. 입사하는 테라헤르츠파의 편광 방향에 따라, 소자에 전류를 흘려주게 되면 0.52 THz에서 1.09 THz로 중심주파수가 천이하는 가변 대역통과필터 기능과, 차단주파수가 1.73THz 에서 1.18 THz로 가변 대역차단필터를 보인다. 특히, 가변 대역통과필터의 성능은 다른 문헌들과 비교, 정리하였다. 그리고 수평과 수직 성분의 위상 응답의 차이를 통하여, 1.1 THz에서 전류에 따라 최대 70°의 편광회전시키는 가변편광회전기 기능을 확인하였다. 본 연구에서 제작된 메타표면 필터는 테라헤르츠파 가변 기술이 필요한 우주기술, 6세대 무선 통신, 이미징 분야 등에 적용 가능 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 차세대 핵심소재로 주목받고 있는 절연체-금속 상변이 물질인 이산화바나듐 최적화 공정 연구를 통해, 본 물질을 이용한 비휘발성 메모리소자와 같은 응용분야 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.