1 dB 이득평탄도를 갖는 8.5～11.1 GHz GaN 저잡음증폭기 MMIC

I. 서 론

이득평탄도(gain flatness)는 특정 주파수 대역 내 신호 이득의 변화가 얼마나 없는지를 나타내는 성능지표로, 이득이 평탄할수록 대역 내 모든 주파수에서 균일한 신호 증폭 또는 전달이 이루어져 신호 품질이 좋아지고 여러 주파수를 동시에 전송하거나 수신할 때 모든 주파수 채널이 동일한 성능을 내도록 보장되게 하므로 광대역 통신, 다중 주파수 사용 시스템에서 중요한 성능요소로 작용한다.

GaN 소자는 LDMOS(laterally diffused metal oxide semiconductor)와 GaAs(gallium-arsenide) 소자에 비해 넓은 에너지 갭, 높은 캐리어농도로 인해 고전압, 고출력, 고효율 및 소형의 전력증폭기로 구현이 가능할 뿐만 아니라^[1]~[4], 높은 입력전력으로 인한 수신기 보호를 위해 별도의 리미터(limiter) 사용 없는 저잡음증폭기로 수신기 구현이 가능하여 전체 수신단의 잡음지수 특성 개선과 송수신기 모듈의 소형화가 가능하다^[5]~[7].

GaN 소자를 이용한 기존의 X-대역 저잡음증폭기들은 대부분 다단의 캐스케이드 구조로 특정 주파수 대역에서의 이득 최적화 설계를 해오고 있으며^[8]~[11], 일부 논문^[9]에서는 출력단 정합회로 구조 개선을 통해 이득평탄화 결과를 보여준다. 본 논문에서는 3단의 캐스케이드 구조를 사용하여 둘째 단과 셋째 단간 및 출력단 정합회로에 각각 단락 커패시터를 사용하여 이득평탄화 및 이득 확보를 실현하고자 한다.

본 논문에서는 한국전자통신연구원(ETRI)의 0.2 μm GaN on SiC 공정 기술을 이용하여 1 dB 이득평탄도를 갖는 8.5～11.1 GHz 저잡음증폭기 MMIC를 설계하고 제작한 결과를 논의한다.

II. ETRI 0.2 μm GaN HEMT 소자 및 잡음특성

ETRI 0.2 μm AlGaN/GaN HEMT(high electron mobility transistor) 소자는 그림 1(a)과 같이 25 nm Al_0.25Ga_0.75N층, AlN 삽입층 및 1 μm GaN 버퍼층으로 구성되며, 4인치 SiC 기판 위에 MOCVD(metal organic vapor deposition) 방식으로 성장된다. AlGaN/GaN HEMT 소자는 Ti/Al/Ni/Au 복합금속층을 통한 소스/드레인 오믹 접촉, 소자 격리 및 60 nm SiN 증착 공정 후, 소스 드레인 접촉 비아 개방 및 Ti/Au 1차 금속 형성, 0.2 μm 게이트 길이 정의 및 Ni/Au을 통한 게이트 전극 형성을 통해 제작된다. 그림 1(b)는 게이트 길이(L_G)가 0.2 μm, 소스-드레인 간격(L_SD)이 5 μm으로 제작된 FIB(focused ion beam) 단면 이미지이다^[12].

그림 1. | Fig. 1. 0.2 μm GaN HEMT 소자 구조 및 FIB-SEM 이미지 | 0.2 μm GaN HEMT device structure and its FIB-SEM image.

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본 논문의 GaN 저잡음증폭기 MMIC는 게이트 폭 50 μm의 4 finger(4f50) GaN HEMT 소자와 게이트 폭 100 μm의 4 finger(4f100) GaN HEMT 소자가 사용되고, 이들 소자들에 대한 잡음파라미터 측정 기반의 모델을 사용하여 설계하였다. 그림 2는 2f50(게이트 폭 50 μm의 2 finger), 4f50(게이트 폭 50 μm의 4 finger)및 4f100(게이트 폭 100 μm의 4 finger) GaN HEMT 소자의 잡음지수 특성으로, 주파수가 증가할수록 4f50 GaN HEMT 소자의 잡음지수가 낮은 것을 보여주고 있으며 10 GHz에서 4f50 GaN HEMT 소자의 잡음지수는 0.9 dB이다^[12].

그림 2. | Fig. 2. 2f50, 4f50 및 4f100 GaN HEMT 잡음 특성 | Noise figures of 2f50, 4f50, and 4f100 GaN HEMTs.

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III. 1 dB 이득평탄도를 갖는 8.5～11.1 GHz GaN 저잡음증폭기 MMIC 설계 및 제작

본 논문의 1 dB 이득평탄도를 갖는 8.5～11.1 GHz GaN 저잡음증폭기 MMIC는 3단의 공통-소스 증폭기로 설계되었다. 첫째 단은 인덕터를 사용한 소스-축퇴(source-degeneration) 구조와 4f50 GaN HEMT 소자(그림 3의 TR1)를 사용하여 잡음지수 및 대역폭 최적화, 안정도 확보 설계를 하고, 둘째 단과 셋째 단은 마이크로스트립 라인을 사용한 소스-축퇴(source-degeneration) 구조와 4f100 GaN HEMT 소자(그림 3의 TR2 및 TR3)를 사용하여 안정도 및 이득 확보, 이득평탄도 개선을 위한 설계를 하였다. 특히, 소스-축퇴(source-degeneration) 구조 설계 시 첫째 단은 신호이득보다 잡음최적화 및 안정도 확보를 위해 보다 큰 인덕턴스를 갖는(칩 면적도 함께 고려) 스파이럴 인덕터를 사용하고 둘째 단 및 셋째 단은 안정도를 유지하면서 신호이득 확보를 위해 작은 인덕턴스를 갖는 마이크로스트립 라인을 사용하였다. 또한, 이득평탄도 개선를 위해 둘째 단과 셋째 단 사이에 단락 커패시터^[13]를 사용하고 출력단 정합회로에도 단락 커패시터를 병합하여 설계하였다.

그림 3. | Fig. 3. 8.5～11.1 GHz GaN 저잡음증폭기 MMIC 회로도 및 제작 칩 | Schematic diagram and fabricated chip of 8.5～11.1 GHz GaN low-noise amplifier MMIC.

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GaN 저잡음증폭기 MMIC의 정합회로와 바이어스 회로는 마이크로스트립 전송선, 스파이럴 인덕터 및 MIM 커패시터를 조합하여 설계하였다.

GaN HEMT 저잡음증폭기 MMIC의 이득평탄도 개선 설계 방법은 다음과 같다. 3단의 공통-소스 증폭기 구조를 사용하여 GaN 저잡음증폭기의 잡음지수 및 대역폭을 최적화한 후, 이득평단도 개선을 위해 둘째 단과 셋째 단 사이에 단락 커패시터(C_sc1)의 크기 0.0, 0.3, 0.5, 0.7 및 0.9 pF에 대하여 8.5 GHz에서 11.55 GHz까지 변화시켰을 때 소신호 이득변화은 4.17 dB에서 0.72 dB로 변화한다(그림 4). 그림 5는 8.5 GHz와 11.55 GHz에 대하여 단락 커패시터의 크기를 0.0 pF에서 1.0 pF까지 변화시켰을 때 이득평탄도가 3.165 dB에서 −0.485 dB까지 변화하는 것을 보여주며, 단락 커패시터의 크기가 0.5 pF일 때 이득평탄도는 0.876 dB로 1.0 dB 근처 값을 나타낸다. 이와 같은 현상은 동일 주파수에서 단락 커패시터의 값이 클수록 단락 커패시터의 임피던스가 작아져 단락 커패시터를 통한 신호흐름이 증가하고 따라서 신호이득(S21, small-signal gain)의 감소를 초래하여 이득평탄화 증가로 이어지며, 단락 커패시터의 값이 (평탄화 임계값까지) 증가할수록 주파수에 따른 이득의 기울기를 완화시켜 이득평탄화 주파수 대역을 확장시킨다.

그림 4. | Fig. 4. 둘째 단과 셋째 단간 단락 커패시터(C_sc1)에 대한 GaN 저잡음증폭기 MMIC 이득변화 | Gain variation of GaN LNA MMIC for shortcircuit capacitor (C_sc1) in the interstage between the second and third stages.

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그림 5. | Fig. 5. 8.5 GHz와 11.55 GHz에서 둘째 단과 셋째 단간 단락 커패시터 (C_sc1)에 따른 GaN 저잡음증폭기 MMIC 이득 및 이득평탄도 | Gain and gain flatness of GaN LNA MMIC according to short-circuit capacitor (C_sc1) in the interstage between the second and third stages at 8.5 GHz and 11.55 GHz.

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다음은 이득평탄도를 보다 개선시키기 위해 출력단 정합회로에 단락 커패시터(C_sc2)를 추가하여 0.1 pF로 설정한 후 (출력 정합특성의 변화를 최소화하기 위해 미소 커패시터 사용), 둘째 단과 셋째 단 사이에 단락 커패시터(C_sc1)의 크기 0.0, 0.3, 0.5, 0.7 및 0.9 pF에 대하여 8.5 GHz에서 11.7 GHz까지 변화시켰을 때 소신호 이득변화는 4.35 dB에서 1.18 dB로 변화한다(그림 6). 그림 7은 8.5 GHz와 11.7 GHz에 대하여 단락 커패시터(C_sc1)의 크기를 0.0 pF에서 1.0 pF까지 변화 시켰을 때 이득평탄도는 3.008 dB에서 −0.334 dB까지 변하여 출력단 단락 커패시터(C_sc2)가 이득평탄도를 보다 개선시키고 있음을 알 수 있다. 둘째 단과 셋째 단 사이에 단락 커패시터(C_sc1)의 크기가 0.5 pF이고 출력단 단락 커패시터(C_sc2)의 크기가 0.1 pF일 때 이득평탄도는 0.856 dB로 1.0 dB 근처 값을 나타낸다.

그림 6. | Fig. 6. 둘째 단과 셋째 단간 및 출력단 단락 커패시터 (C_sc1, C_sc2)에 대한 GaN 저잡음증폭기 MMIC 이득변화 | Gain variation of GaN LNA MMIC for short-circuit capacitor (C_sc1, C_sc2) in the interstage between the second and third stages and in output stage.

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그림 7. | Fig. 7. 8.5 GHz와 11.7 GHz에서 둘째 단과 셋째 단간 및 출력단 단락 커패시터 (C_sc1, C_sc2)에 따른 저잡음증폭기 MMIC 이득 및 이득평탄도 | Gain and gain flatness of GaN LNA MMIC according to short-circuit capacitors (C_sc1, C_sc2) in the interstage between the second and third stages and in output stage at 8.5 GHz and 11.7 GHz.

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그림 8은 단락 커패시터 C_sc1과 단락 커패시터 C_sc2가 각각 0.5 pF와 0.1 pF일 때 GaN 저잡음증폭기 MMIC의 안정도 시뮬레이션 결과로, 낮은 주파수에서 높은 주파수 영역까지 안정도 지수(stability factor)가 2.3 이상을 유지하여 설계된 GaN 저잡음증폭기 MMIC의 안정도가 우수함을 알 수 있다. 아울러, 설계에 사용된 가장 큰 스파이럴 인덕터(4.5턴, 1.7 nH)는 자기 공진주파수(self resonance frequency)를 발생시키지 않을 만큼 본 저잡음증폭기 MMIC를 포함하여 X-대역 저잡음증폭기 MMIC 설계에 사용 가능하다.

그림 8. | Fig. 8. GaN 저잡음증폭기 MMIC 안정도 | Stability of GaN LNA MMIC.

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앞 그림 3의 아래 사진은 제작된 GaN 저잡음증폭기 MMIC 칩으로 크기는 패드 포함하여 2.2(2.98×0.72) mm²이며, 좌측에 입력, 우측에 출력, 하단에 바이어스 패드가 배치되었다. 소신호(S-파라미터) 측정은 Network Analyzer S5180(Copper Mountain Technologies)를 사용하였으며, 잡음지수 측정은 Noise Figure Analyzer N8975A(Agilent TechNologies)를 사용하였다. 그림 9 및 그림 10은 시험치구를 포함하여 각각 Network Analyzer S5180과 Noise Figure Analyzer N8975A를 이용한 GaN 저잡음증폭기 MMIC의 소신호 및 잡음지수 특성평가를 위한 측정 셋업이다.

그림 9. | Fig. 9. GaN 저잡음증폭기 MMIC 소신호 특성 측정 셋업 | Measurement setup of the small-signal characteristics of GaN LNA MMIC.

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그림 10. | Fig. 10. GaN 저잡음증폭기 MMIC 잡음지수 특성 측정 셋업 | Measurement setup of the noise figure of GaN LNA MMIC.

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그림 11 및 그림 12는 각각 게이트 전압 −3.5 V, 드레인 전압 20 V에서 설계 및 측정된 GaN 저잡음증폭기 MMIC의 소신호 특성과 잡음 특성을 보여준다. 8.5～11.7 GHz 대역에서 시뮬레이션된 소신호 이득은 28.3～29.1 dB로 이득평탄도가 1 dB 이하인 영역에서 대역폭은 3.2 GHz이며 잡음지수는 1.83～2.05 dB이다. 8.5～11.1 GHz대역에서 측정된 소신호 이득은 25.0～26.0 dB로 이득평탄도가 1 dB 이하인 영역에서 대역폭은 2.6 GHz이며 잡음지수는 1.86～2.01 dB이다. 이득 및 잡음지수 측정결과는 설계 결과와 유사한 경향을 보여주지만 이득의 경우 설계결과 대비 하향 이동하였다. 이는 설계 시 소자들에 대한 잡음파라미터 측정 기반의 최적화된 모델을 사용한 결과로 판단되며 향후 잡음파라미터 및 이득 기반의 동시 최적화 모델을 사용하여 개선할 예정이다. 표 1에 GaN 저잡음증폭기 MMIC의 설계결과와 측정결과를 비교하였다.

그림 11. | Fig. 11. GaN 저잡음증폭기 MMIC 소신호 특성 | Small-signal characteristics of GaN LNA MMIC.

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그림 12. | Fig. 12. GaN 저잡음증폭기 MMIC 잡음지수 특성 | Noise figure characteristics of GaN LNA MMIC.

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표 2는 기존에 발표된 X-대역 GaN 저잡음증폭기 MMIC 성능과 본 논문의 GaN 저잡음증폭기 MMIC 성능을 보여준다. 둘째 단과 셋째 단간 및 출력단 정합회로에 단락 커패시터(C_sc1, C_sc2)를 사용한 본 논문의 GaN 저잡음증폭기 MMIC가 기존에 발표된 GaN 저잡음증폭기 MMIC들과 비교하여, 유사 이득평탄도 기준으로 넓은 대역폭을 가지며 유사 대역폭 기준으로 이득평탄도가 우수함을 알 수 있다.

IV. 결 론

본 논문에서는 ETRI 0.2 μm GaN 공정 기술을 이용하여 1 dB 이득평탄도를 갖는 8.5～11.1 GHz 저잡음증폭기 MMIC를 설계 및 제작하였다. 1 dB 이득평탄도는 둘째 단과 셋째 단간 및 출력단 정합회로에 각각 단락 커패시터를 사용하여 25～26 dB 이득으로 실현되었고 잡음지수는 1.86～2.01 dB 성능을 갖는다. 기존에 발표된 GaN 저잡음증폭기 MMIC들과 비교하여 둘째 단과 셋째 단간 및 출력단 정합회로에 단락 커패시터를 사용한 본 논문의 GaN 저잡음증폭기 MMIC가 유사 이득평탄도 기준으로 넓은 대역폭을 가지며 유사 대역폭 기준으로 이득평탄도가 우수하다.