5G용 RFIC 설계를 위한 GaN HEMT 소자의 고정밀 컴팩트 모델링 기법

I. 서 론

5세대(5G) 및 6세대(6G) 이동통신 시스템의 발전은 RF 전력증폭기(PA, power amplifier)에 고주파·고출력 동작 성능을 요구하고 있다. 이러한 요구를 충족하기 위한 핵심 소자로 GaN(gallium nitride) 기반 HEMT(high electron mobility transistor)가 주목받고 있으며, GaN HEMT의 정확한 전기적 특성 모델링은 회로 설계 단계에서 신뢰성과 효율성을 보장하는 핵심 기술로 부상하였다^[1],[2]. 특히 PA 설계에서 출력 정합 특성을 나타내는 S₂₂ 파라미터는 회로 전체의 전력 이득과 효율에 직접적으로 영향을 미치므로, 드레인 단자의 주파수 의존적 거동을 정밀하게 모사할 수 있는 컴팩트 모델(compact model) 개발이 필수적이다^[3],[4]. 본 논문에서는 실제 산업계에서 널리 사용되는 상용 Angelov model을 기반으로 gate 및 drain 바이어스에 의존하는(bias-dependent) g_ds 모델을 추가적으로 적용한 새로운 컴팩트 모델을 제안하였다.

II. 제안된 RF GaN HEMT 모델링 기법

본 논문에서는 상용모델과 측정 간의 정합성(MHC, model-to-hardware correlation)을 우선 분석·평가하기 위해 Focus 社에서 제공하는 “compact modeling” system을 활용하여, extrinsic parameter, C_GD, C_GS 및 I_ds와 같은 등가회로상의 전기적 파라미터를 추출한 후 ADS 시뮬레이터로 이를 구성하였다^[5]. 측정을 위해 Winsemi에서 제작된 GaN 트랜지스터(W/L=400/0.25 ㎛)를 활용하였고, 계측 중에 발생할 수 있는 온도효과를 배제하기 위해 그림 1에 제시된 바와 같이 pulsed IV 기반의 RF 계측시스템을 구성하였다. 측정조건은 pulse width 4 μs, pulse period 4,000 μs, duty cycle 0.1 %로 설정 후 포화영역(V_gs=−3.0～−2.8 V, V_ds=10～40 V)으로 한정하고, G-S-G패턴의 on-wafer probing방식을 채택하였다. 측정결과, 그림 2에서 확인할 수 있듯이, 저주파수 대역에서 S₂₂ 파라미터의 모델링 정확도가 S₁₁에 비해 현저히 낮게 나타났다. 이러한 부정합성은 GaN HEMT에 내재된 deep trap site에 의한 g_ds dispersion 효과에 기인한다^[6]. 이를 개선하기 위해 diode, R-C 및 전류원으로 조합된 sub-circuit을 기존모델에 추가하는 방식을 주로 채택하고 있다^[7]. 그러나 sub-circuit 구조의 복잡성과 기존 상용모델과의 호환성으로 인해 상용모델을 수정보완하기에 어려움을 갖고 있다. 특히, 이러한 보정 방식은 trap-induced gds dispersion과 self-heating으로 인한 g_ds 감소를 각각의 RC 네트워크로 모델링하므로 파라미터 추출이 복잡하고, S₂₂의 실제 오차 정도를 정량적으로 반영하기 어렵다는 한계를 갖는다. 결국, g_ds의 바이어스 및 주파수 의존성을 정밀하게 모사하고, 이를 기존 컴팩트 모델에 손쉽게 반영 가능한 추가적인 모델링 작업이 필수적이다. 본 연구에서는 복잡한 sub-circuit 구성 대신 pulsed S-parameter 측정으로부터 추출된 바이어스에 의존적인 gds를 Angelov 컴팩트 모델에 직접 통합하는 방식을 제안한다. 이를 통해 trap-induced dispersion으로 인한 g_ds 변동을 Y₂₂ level에서 정밀하게 모델링하여, S₂₂에 대한 모델의 부정확성을 보완할 수 있는 RF 컴팩트 모델을 그림 3에 제안한다.

그림 1. | Fig. 1. GaN HEMT 소자의 RF 측정시스템 | RF measurement system for GaN HEMT.

Download Original Figure

그림 2. | Fig. 2. 0.25 um RF GaN HEMT 소자의 S-parameter 측정 및 상용모델 비교결과(@ V_gs=−2.9 V, V_ds=20 V) | S-parameter comparison of measurement and conventional model for 0.25 um RF GaN HEMT device from 100 MHz to 9 GHz (@ V_gs=−2.9 V, V_ds=20 V).

Download Original Figure

그림 3. | Fig. 3. RF GaN HEMT 소자의 제안모델과 추출파라미터 | RF GaN HEMT proposed model and extracted parameters.

Download Original Figure

본 연구에서는 상용모델의 S₂₂ 저주파 부정합성을 보완하기 위해, 다중 바이어스(V_gs, V_ds)에서 pulsed S-parameter 측정을 통해 추출된 소신호등가회로 파라미터를 바이어스에 의존족인 함수로 표현하고 이를 범용 대신호모델에 통합하는 방법을 채택하였다^[7]. g_ds는 출력전압 V_ds에 대한 출력 전류 I_ds의 변화량을 의미하는 전기적 파라미터이지만, 측정결과로부터 게이트 및 드레인 바이어스에 따라 그림 4와 같이 비선형적으로 변화함을 확인할 수 있었다. 본 논문에서는 바이어스에 따른 g_ds 거동을 모사하기 위해, 그림 5에 묘사된 바와 같이 게이트 및 드레인 바이어스에 따라 각각의 의존성을 수식화한 후, 이 두 개의 관계식을 최종적으로 식 (1)과 같이 통합하였다.

그림 4. | Fig. 4. g_ds의 게이트 및 드레인 바이어스 의존성 | Gate and drain bias dependency of g_ds.

Download Original Figure

그림 5. | Fig. 5. g_ds의 게이트 바이어스 의존성 모델 | Gate-bias dependency model of g_ds.

Download Original Figure

식 (1)에 표현된 g_ds 비선형 거동을 상용모델에 추가로 반영하여 그림 6과 같이 측정과 모델 간의 S-parameter의 정합성을 분석하였다.

그림 2 및 그림 6을 각각 비교하였을 때, 저주파영역에서도 상용모델에 비해 우수한 S₂₂ 정합성을 가짐을 확인할 수 있다. 또한 0.1 GHz에서 9 GHz 주파수범위에서 정량적으로 에러율을 분석한 결과 제안한 모델의 경우 S₂₂ error-rate(모델과 측정 간 오차율)이 약 6.5 %로, 기존모델(S₂₂ error-rate 약 15 %) 대비 8.5 %의 개선효과를 갖는다. 그리고 게이트 및 드레인 바이어스를 각각 −2.85 V부터 −2.95, 10 V부터 40 V까지 변화시키며 S₂₂를 살펴본 측정결과와 모델 간에 우수한 정합성을 가짐을 확인할 수 있었다.

그림 6. | Fig. 6. 0.25 um RF GaN HEMT 소자의 S-parameter 측정 및 제안모델 비교결과(@ V_gs=−2.9 V, V_ds=20 V) | S-parameter comparison of measurement and proposed model for 0.25 um RF GaN HEMT device from 100 MHz to 9 GHz (@ V_gs=−2.9 V, V_ds=20 V).

Download Original Figure

III. 결 론

본 논문에서는 5G/6G용 RF 전력증폭기 설계에 필수적인 GaN HEMT 소자의 새로운 컴팩트 모델링 기법을 제안하였다. 기존 산업계에서 광범위하게 활용되고있는 Angelov 상용모델을 기반으로 트랜지스터에 내재된 g_ds dispersion 거동을 실험적으로 정량화하고 반영하여 9 GHz까지 S₂₂ 오류율을 약 6.5 % 개선시켰다.

차후 연구에서는 제안된 모델링 기법을 class AB급 전력증폭기 설계에 확대 적용하여, load-pull 특성을 기반으로 대신호 동작 환경에서의 모델 정확도를 재검증하고 다양한 소자(W/L)에 대한 범용성을 확보할 계획이다.