웨이비스의 0.2 μm GaN 공정을 이용한 X-대역 수신 저잡음증폭기 및 스위치 MMICs 개발

I. 서 론

최근 능동위상배열 레이다 기술의 발전에 따라 X-대역 송수신 모듈에서 GaN 기반 Front-end에 대한 관심이 높아지고 있다. GaN 소자 기술은 기존 GaAs(gallium arsenide) 기술에 비해 높은 전력밀도, 효율 및 견고성을 특징으로 하여 소형, 고출력, 고효율 송수신 모듈 Front-end 개발에 적합하다^[1].

GaN 스위치 MMIC의 개발 결과와^[2]~[4] 저잡음증폭기 MMIC의 개발 결과는^[5]~[7], 다양한 레이다 송수신 모듈의 Front-end에 적용하기 위해 개발되었으며, 모두 해외의 GaN 파운드리 시설을 이용한 결과이다.

본 논문에서는 국내 유일의 GaN RF MMIC 양산 파운드리 시설을 보유하고 있는 웨이비스의 0.2 μm GaN HEMT 공정을 이용한 X-대역 수신부에 필요한 스위치 MMIC 및 저잡음증폭기 MMIC의 설계, 제작 및 측정 결과를 제시한다.

Ⅱ. X-대역 수신부 Front-end MMIC 설계

웨이비스의 0.2 μm GaN HEMT 공정은 백-비아를 제공하며, OSV(outside source via) 구조의 100 μm SiC 기판상에 형성된 HEMT 소자는 Gm 450 mS/mm, V_TH −2.3 V, f_T 27.5 GHz, f_MAX 70 GHz와 V_BR 90 V 특성을 갖는다.

SPDT 스위치는 내압 및 격리도 특성이 우수한 직렬-병렬-병렬 구조로 설계하였다. 직렬 트랜지스터 Q1, Q4의 게이트 단에는 인덕터 Lg와 shunt 커패시터 Cs를 사용하여 X-대역 동작주파수 대역에서 RF 신호가 게이트 단 쪽으로의 신호 누설을 방지하여 삽입 손실 특성을 최적화하였다. 직렬 트랜지스터 Q1과 Q4는 7F110 소자를, 병렬 트랜지스터 Q2, Q3, Q5, Q6은 3F75 소자를 사용한 대칭 구조를 갖는다(그림 1).

그림 1. | Fig. 1. X-대역 GaN SPDT 스위치 회로도 | Schematic diagram of X-band GaN SPDT switch.

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저잡음증폭기는 4F100(4 fingers, 100 μm gate width) HEMT를 S-parameters와 noise parameter 측정 기반 s2p 모델을 사용하여 설계하였다. 잡음지수 최적화 및 안정도 확보를 위해 3단 모든 소스단에 소스-축퇴(source-degeneration)를 위한 마이크로스트립 선로(Ls1, Ls2, Ls3)를 3단 모두에 적용하였다. 저잡음증폭기는 20 dB 이상의 이득을 위해 3단 구조를 가지며, 그림 2와 같이 3단 증폭기 Q1, Q2, Q3 모두 4F100 HEMT를 사용하여 설계하였다. 전 주파수 대역에서 k-factor 1 이상 유지하기 위하여 모든 게이트 단에 20옴 직렬 저항 R1, R2, 및 R3를 추가하여 안정도를 개선하였다.

그림 2. | Fig. 2. X-대역 GaN 3단 저잡음증폭기 회로도 | Schematic diagram of X-band GaN 3-stage LNA.

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Ⅲ. 수신부 Front-end MMIC 측정 결과

웨이비스의 0.2 μm GaN HEMT 공정으로 제작된 스위치 MMIC의 크기는, 그림 3과 같이 1.5×1.31 mm이다.

그림 3. | Fig. 3. 제작된 X-대역 GaN 스위치 MMIC 사진 | Photograph of fabricated GaN Switch MMIC.

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스위치 MMIC의 삽입손실과 격리도 특성은 온-웨이퍼 시험으로 하였으며, 제어전압 Vc1과 Vc2는 0 V와 −40 V를 사용하여 제어하였다. 시험 결과 9~10 GHz 대역에서 삽입손실은 0.7 dB 이하와 격리도 31.5 dB 이상이다(그림 4).

그림 4. | Fig. 4. X-대역 스위치 MMIC S-parameters | S-parameters of X-band switch MMIC.

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스위치 MMIC의 내압 특성은 시험 치구를 유테틱 다이 본딩 기반으로 조립하여 시험하였으며, 펄스폭 100 μs 와 듀티 10 % RF 신호를 인가하였다. 주파수 10 GHz에서 측정된 1dB 삽입 손실 compression 입력 전력은 45.2 dBm이다(그림 5).

그림 5. | Fig. 5. X-대역 스위치 MMIC 삽입손실 compression | Insertion-loss compression of X-band switch MMIC.

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기존에 발표된 스위치 MMIC와의 비교는 표 1과 같으며, 본 논문의 결과가 가장 작은 칩 크기에서 삽입손실, 격리도 및 내압 특성 모두 가장 우수한 특성을 갖는다.

X-대역 저잡음증폭기 MMIC 제작 사진은 그림 6과 같으며, 크기는 1.85×1.5 mm이다.

그림 6. | Fig. 6. 제작된 X-대역 GaN 저잡음증폭기 MMIC 사진 | Photograph of fabricated GaN LNA MMIC.

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저잡음증폭기 MMIC는 드레인 전압 20 V와 드레인 전류 120 mA 조건에서 시험 치구를 조립하여 특성을 평가하였다. 동작주파수 9~10 GHz 대역에서 측정된 이득은 23.2 dB 이상이며 입출력 반사손실은 9.9 dB 이상이다(그림 7).

그림 7. | Fig. 7. X-대역 LNA MMIC 소신호 특성 측정결과 | Measured S-parameters of X-band LNA MMIC.

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저잡음증폭기 MMIC의 잡음지수는 9~10 GHz 동작 주파수 대역에서 시뮬레이션 대비 약 0.2 dB 열화된 1.4 dB 이하로 측정되었다(그림 8).

그림 8. | Fig. 8. X-대역 LNA MMIC 잡음지수 측정결과 | Measured noise figure of X-band LNA MMIC.

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기존에 발표된 저잡음증폭기 MMIC와 비교는 표 2와 같이, 본 논문의 저잡음증폭기 MMIC가 가장 작은 크기로 컴팩트하게 설계 하였고 가장 큰 이득 특성을 보이며, 잡음지수 특성 또한 가장 우수하다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 웨이비스의 0.2 μm GaN HEMT 공정을 이용하여 X-대역 레이다 시스템의 송수신 모듈의 수신부에 적용이 가능한 스위치와 저잡음증폭기 MMIC를 성공적으로 개발한 결과를 기술하였다. 국내 GaN 양산 시설로 개발한 최초의 결과로써, 모든 특성이 해외 GaN 파운드리 공정을 이용한 결과에 비하여 동등 이상의 우수한 성능을 갖는다. 스위치와 저잡음증폭기 MMIC의 설계와 측정 결과의 성능 차이는, 설계 결과 피드백을 통해 트랜지스터 모델링을 최적화하여 개선할 예정이다. 향후 국내 웨이비스 GaN 공정을 이용한 다양한 통신 및 레이다 방산 시스템에 다양한 GaN MMIC들이 개발되어 국산화 제품으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.