2016년 12월
16ZB1100-01-8051P수요자 중심 화합물반도체
부품산업기반 강화
Establishment of Basis for Compound Semiconductor
Components Technology Based on Industrial Demand
2016년 12월 16ZB1100-01-8051P
수요자 중심 화합물반도체 부품산업기반 강화
Establishment of Basis for Compound Semiconductor Components Technology Based on Industrial Demand
인
사
말
씀
유무선통신 시스템은 정보통신기술의 급격한 수요 증대에 따라 주파수 대역과 속도면에서 비약적으로 발전해 왔으며 유무선 통신 시스템의 송신수신을 위한 Front-End에는 고속/고주파 특성과 수광/발광 특성을 활용하는 화합물 반도체 기반의 전자소자와 광소자 가 필수적으로 사용되고 있으며 기술의 고난이도와 국가적 기술 전략성 때문에 국내외적인 많은 관심을 받고 있습니다. 화합물반도체 기반의 초고주파부품은 그 특성상, 소량 다품종의 전형적인 중소기업 생산 형태를 취하고 있으나, 우리나라 초고주파 부품기업의 영세성과 낮은 기술 수준 등으로 국내 초고주파부품 분야의 경쟁력이 극히 취약하고 전량을 수입에 의존하는 구조적인 문제를 내포하고 있습니다. 따라서 R&D 기술과 소요 산업기술을 직접적인 연계함으로써 산업기술의 수준을 강화하고, 수요자 중심의 부품을 개발함으로써 TTM (Time-To-Market) 제품을 효과적으로 확보할 수 있는 국가주도의 종합적인 활성화 정책이 절실한 시점입니다. 본 연구사업을 통해서 화합물반도체 기반의 초고주파 부품산업의 허브를 구축하고 전주기적 연구수행 체계를 구축함으로써 국내 초고주파부품 산업의 활성화를 통한 국제적 경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 끝으로, 본 연구과제 수행을 위해 후원을 해주신 국가과학기술연구회 관계자 및 한국전자통신연구원 관계자 여러분께 깊은 감사를 드리며, 아울러 본 연구과제를 성실히 수행한 연구원들의 노고를 치하하는 바입니다. 2016년 12월 한국전자통신연구원 원장 이 상 훈제
출
문
본 연구보고서는 일반사업 연구과제인 "수요자 중심 화합물반도체 부품산업 기반강화"의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의 연구팀이 작성한 것입니다. 2016년 12월 연구책임자 : 책임연구원 강동민 (RF융합부품연구실) 연구참여자 : 책임연구원 윤형섭 (RF융합부품연구실) 책임연구원 김해천 (RF융합부품연구실) 책임연구원 임종원 (RF융합부품연구실) 책임연구원 민병규 (RF융합부품연구실) 책임연구원 김동영 (RF융합부품연구실) 책임연구원 이상흥 (RF융합부품연구실) 책임연구원 이종민 (RF융합부품연구실) 책임연구원 김성일 (RF융합부품연구실) 책임연구원 안호균 (RF융합부품연구실) 책임연구원 장우진 (RF융합부품연구실) 책임연구원 지홍구 (RF융합부품연구실) 선임연구원 장성재 (RF융합부품연구실) 선임연구원 윤기홍 (광집적플랫폼연구실) 연구원 조규준 (RF융합부품연구실) 연구원 도재원 (RF융합부품연구실) 박사후연수연구원 신민정 (RF융합부품연구실) 특수계약직원 장유진 (RF융합부품연구실)요
약
문
Ⅰ. 제 목 수요자 중심 화합물반도체 부품산업기반 강화 Ⅱ. 연구목적 및 중요성 화합물반도체 기반의 초고주파부품은 그 특성상, 소량 다품종의 전형적인 중소기업 생산 형태를 취하고 있으나, 우리나라 초고주파 부품기업의 영세성과 낮은 기술 수준 등으로 국내 초고주파부품 분야의 경쟁력이 극히 취약, 전량을 수입에 의존하는 구조적인 문제를 내포하고 있다. 따라서 R&D 기술과 소요 산업기술을 직접적인 연계함으로써 산업기술의 수준을 강화하고, 수요자 중심의 제품개발을 공동으로 추진함으로써 TTM (Time-To-Market) 제품을 효과적으로 확보 할 수 있는 국가주도의 종합적인 활성화 정책이 절실하다. 본 연구는 초고주파부품 산업 활성화를 위해 우선적으로 초고주파부품의 산업 수요 지향적 실용화 기술개발 체계 구성하고 기존의 연구사업을 통해 확보한 화합물반도체 기반의 연구결과물을 수요자 요구 규격에 맞도록 재가공하거나 고도화할 수 있는 상용화 지원체계를 구축하며 MPW 정기 shuttle 운영을 통한 지속적 제품을 개발한다. 중소업체 위주의 화합물반도체 기반의 초고주파 부품산업 활성화를 위하여 범국가적 산학연 협력 체계를 구축하고 산업체를 지원함으로써 국내 초고주파 부품산업의 경쟁력 강화를 통한 산업 전후방효과를 극대화한다. 또한 화합물반도체 기반의 초고주파부품 산업화 허브를 통한 중소업체 간의 정보교류를 활성화하고 시험/인증센터와 연계지원으로 마케팅을 지원하고 국내 화합물반도체 기반의 양산 관련 기관 및 산업체와 연계를 추진한다. Ⅲ. 연구내용 및 범위 본 연구는 초고주파부품 산업 활성화를 위해 화합물반도체 기반의 초고주파부품 산업화 허브구축을 통한 중소업체 간의 정보교류를 활성화하고 초고주파부품의 산업 수요 지향적 상요부품 개발 체계을 구성하여 국내 초고주파 부품산업의 경쟁력 강화에 기여하기 위한 연구내용 및 범위는 다음과 같다. - 수요자 중심 초고주파부품 산업화 HUB 구축 - 화합물반도체 기반의 상용화 품목 발굴 - 1~10GHz 초고주파부품 library 고도화를 통한 시제품 개발 - Pilot Production 기술 개발- 산업체의 신규 시스템 개발 시 필요한 prototype 적기 제공 - 신뢰성 인증기관과 공조를 통한 시제품 신뢰성 평가
Ⅳ. 연구결과
본 연구과제의 9차년도 주요 연구결과는 다음과 같다
1. 0.25um 10W급 GaN HEMT 소자 개발
- 0.25um 10W급 GaN HEMT 소자 설계 및 제작 - 0.25um 10W급 GaN HEMT 소자 측정
- 전량 수입에 의존하는 0.25um GaN 전력소자 국산화 2. X-대역 40W GaN IMFET 개발 - X-대역 40W AlGaN/GaN HEMT 소자 설계 및 제작 - X-대역 40W GaN IMFET 설계 및 측정 Ⅴ. 기대성과 및 건의 본 연구는 화합물반도체 기반의 초고주파부품 산업화 허브구축을 통한 산학연간의 정보교류를 활성화와 초고주파부품 산업의 경쟁력 강화에 기여하고 고부가가치 화합물반도체 기반의 설계 및 제품 생산 상용화 관련 일괄 기술 확보을 통해서 국책 연구소와 초고주파부품 산업체간 신속한 기술 교류를 통한 국내 초고주파부품 기술을 고도화하여 다양한 산업체 신규 시스템 개발시 필요한 시제품을 적기에 공급하여 emerging market을 선점한다. 또한, 화합물반도체 기반의 초고주파부품의 국내 수요를 전량 공급하여 수입대체를 이루고, 이를 통해 산업체가 자생하여 기술을 고도화할 수 있는 기반을 제공함으로써 수출을 통한 해외시장 점유하는 효과를 도모할 수 있다.
ABSTRACT
Ⅰ. TITLE
Establishment of Basis for Compound Semiconductor Components Technology Based on Industrial Demand
Ⅱ. THE OBJECTIVES
Commercial compound semiconductor(CS) components are used for a variety of niche applications apart from Si applications at mostly small quantities. They are assembled by medium-to-small companies using imported CS devices and integrated circuits(ICs’) due to the lack of domestic manufacturing basis for devices and ICs’. This current domestic situation calls this industry’s attention for a comprehensive invigorating move that can improve technological level of industry by connecting R&D to industrialization and providing cooperation for demand-oriented product development. This move would provide the effective ways for the development of time-to-market products.
In this context, this study is aimed for the vitalization of high frequency components industry by providing the basis for the development and commercialization schemes that not only further develop R&D prototypes to commercially viable ones but also provide fabrication services of multi wafer project shuttles. This study would at the same time provoke country-wise industry-academia-research cooperation system to help medium-to-small enterprises in this industry establish the thrust for the market penetration. Also, this study is to provide a hub for the active environment in this industry for the exchange of information and manpower. This study would also assist industry’s marketing activities by establishing the relationship with test/certification organizations and mass production facilities.
Ⅲ. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY
The contents and scope of this study is listed below:
- Establishment of the hub for the industrialization of demand-oriented high frequency components - Pursuit for the prospective CS components for commercialization
- Prototyping of 1~10GHz components through library improvement - Establishment of pilot production technology
- Delivery of the timely prototyping of industry demand
Ⅳ. RESULTS
The results of the ninth year of this study are listed below:
1. Development of 0.25um 10W GaN HEMTs
- Design and Fabrication of 0.25um 10W GaN HEMTs - Measurement of 0.25um 10W GaN HEMTs
2. Development of 40W GaN IMFET at X-band
- Design and Fabrication of 40W GaN HEMT at X-band - Design and Measurement of 40W GaN IMFET at X-band
Ⅴ. EXPECTED RESULT & PROPOSITION
This study is to provide the basis for the cooperational environment in the CS components industry through the establishment of the industry-academia-research hub, and, thereby, contribute to the improvement of the competitiveness of CS components industry. The success of this study will establish the design-fabrication-package-test-and-marketing productive cycles within this industry, so that domestic companies can not only penetrate into already-present market, but also even take the optimistic position in the emerging market. Eventually, CS components demand will be self-supplied domestically and further result in the minimizing of import expenses and the maximizing of export profits.
목 차
1. 필요성 및 중요성 ··· 3 1.1. 연구개발과제의 필요성 ··· 3 1.2. 연구개발과제의 중요성 ··· 3 2. 국내외 연구개발 동향 및 수준 ··· 4 2.1. 국내 기술동향 및 수준 ··· 4 2.2. 국외 기술동향 및 수준 ··· 5 3. 연구개발 목표 및 내용 ··· 6 3.1. 연구개발 목표 ··· 6 3.2. 연구개발 내용 ··· 6 4. 추진체계 및 연구수행 방법 ··· 7 4.1. 연구개발 추진 체계 ··· 7 4.2. 연구수행 방법 ··· 7 5. 연구 수행 내용 및 결과 ··· 95.1. 0.25um 10W급 GaN HEMT 소자 개발 ··· 9
5.2. X-대역 40W GaN IMFET 개발 ··· 28 6. 연구개발목표의 달성도 ··· 43 6.1. 당해연도 연구개발목표의 달성도 ··· 43 6.2. 성과지표별 목표 추세 ··· 44 7. 연구성과 ··· 45 8. 연구결과의 활용가능성 및 파급효과 ··· 53 8.1. 파급효과 ··· 53 8.2. 성과 확산 계획 ··· 54
1. 필요성 및 중요성 1.1 연구개발과제의 필요성 - 세계적으로 무선통신이 급격히 보급되고 있으며 새로운 통신 시스템의 출현에 따라 무선 /위성 통신 부품용 화합물반도체에 대한 수요가 급증하고 있음 - 선진국 업체들은 이러한 수요에 대처하기 위하여 생산line을 증설하는 등 발빠른 대응을 하고 있으나 국내에는 현재 RF IC를 공급하는 업체가 없음 - 화합물반도체 기반의 초고주파부품은 그 특성상, 소량 다품종의 전형적인 중소기업 생산 형태를 취하고 있으나, 우리나라 초고주파 부품기업의 영세성과 낮은 기술 수준 등으로 국내 초고주파부품 분야의 경쟁력이 극히 취약, 전량을 수입에 의존하는 구조적인 문제 를 내포하고 있음 - ETRI에서는 이미 25년 이상의 화합물반도체 관련 국책연구사업 수행을 통해 전자소자의 제작이 가능한 청정실험실과 장비를 구비하고 숙련된 전문인력의 경험을 바탕으로 다수 의 우수한 화합물반도체 연구시제품을 보유하고 있음 - 확보된 화합물반도체 기본 기술들을, 안정적 재원을 바탕으로 효율적으로 활용하여, 산 업체의 소량다품종 초고주파 부품의 수요에 부응하는 실용화 연구추진의 필요성이 있음 1.2 연구개발과제의 중요성 - 무선통신 시스템은 정보통신기술의 급격한 수요 증대에 따라 주파수 대역과 속도면에서 비약적으로 발전해 왔음. 아래 [그림 1-1]은 무선통신 기술의 주파수별 응용 시스템을 도식화한 그림임
Frequency 1~10GHz 12~26GHz 29~40GHz 39~45GHz 60GHz 77GHz 94~300GHz Application Wireless Communication System Terrestrial to Satellite Links Broadband Wireless Distribution Systems Inter-satellite Links Broadband Line-of-Sight and Fiber Radio Systems Automotive Collision Avoidance Radars Environmental Sensing, Air Pollution Detection, Non-invasive Monitoring of Sub-cellular Activity Frequency 1~10GHz 12~26GHz 29~40GHz 39~45GHz 60GHz 77GHz 94~300GHz Application Wireless Communication System Terrestrial to Satellite Links Broadband Wireless Distribution Systems Inter-satellite Links Broadband Line-of-Sight and Fiber Radio Systems Automotive Collision Avoidance Radars Environmental Sensing, Air Pollution Detection, Non-invasive Monitoring of Sub-cellular Activity 2.4/5/40/60GHz WLAN 77GHz 전방 센서 5.8GHz DSRC ITS 94GHz mm-wave imager Cellular, PCS, W-CDMA 18GHz 지하철 무선영상장치 3.1~10.2GHz UWB 센서 28GHz B-WLL/LMDS/LMCS 42GHz MVDS 60GHz MBS 1.5GHz GPS
DBS: Direct Broadcasting System MSS: Mobile Satellite Service GPS: Global Positioning System WLAN: Wireless Local Area Network B-WLL: Broadband-Wireless Local Loop LMDS/LMCS: Local Multipoint Distribution (Communication) Service MVDS: Multipoint Video Distribution Service MBS: Mobile Broadband System DSRC: Dedicated Short Range Communication UWB: Ultra Wideband
WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access DMB: Digital Multimedia Broadcasting
12GHz DBS 1.6/2.4GHz MSS 24GHz 측후 방 센서 2.5GHz 위성 DMB Ka 대역 위성 양방향통신 [그림 1-2-1] 무선통신기술의 주파수별 응용 시스템 - 이러한 무선 통신 시스템의 송신/수신을 위한 Front-End에는 고속/고주파 특성을 활용 하는 화합물반도체 기반의 전자소자가 필수적으로 사용되는데, 기술의 고난이도와 국가 적 기술 전략성 때문에 국내외적으로 수급이 용이하지 않은 품목이 많음 - 통상 국가별로 국책사업으로 연구개발을 수행한 후 개발시제품의 상품성에 따라 산업화 가 연계되는 것이 일반적인 개발 전개 과정임 - 본 사업을 통해 화합물반도체 기반의 초고주파 부품산업의 허브를 구축하고 전주기적 연 구수행 체계를 구축함으로써 국내 초고주파부품 산업의 활성화를 통한 국제적 경쟁력 강화가 시급함 2. 국내외 연구개발 동향 및 수준 2.1 국내 기술동향 및 수준 - 화합물반도체 기반의 초고주파부품은 그 특성상, 소량 다품종의 전형적인 중소기업 생산 형태를 취하고 있으나, 우리나라 초고주파 부품기업의 영세성과 낮은 기술 수준 등으로 국내 초고주파부품 분야의 경쟁력이 극히 취약, 전량을 수입에 의존하는 구조적인 문제 를 내포하고 있음
- 산업체에서 요구하는 수요자 중심의 고주파/고속소자 및 집적회로 부품을 공급할 수 있 는 생산기반이 구축되어 있지 못함 - 연구개발 수준은 서울대학교, 포항공대, 동국대, KAIST, ICU 등에서 소자 및 집적회로 부품의 설계 또는 제작을 수행하고 있으나 R&D 수준임 - ETRI에서는 4인치 Pilot 생산기반을 구축하여 준양산이 가능한 환경에서 자체 설계, 제 작 및 테스트를 수행하여 왔으며 향후 수요자 중심의 부품 공급을 위한 산업체와의 허 브 구축을 통한 부품 자체 공급 체계를 구축하려 함 2.2 국외 기술동향 및 수준 - 미국의 경우 화합물반도체 기반 초고주파부품의 연구개발 및 생산은 국방성 프로젝트로 30여년간 투자하여 미국의 산업체가 세계 최고기술을 보유함:
• 미국은 2003년부터 국방성의 TFAST (Technology for Frequency Agile Digitally Synthesized Transmitters) 프로그램을 통해 500GHz급 초고속 전자소자와 200Gb/s flip-flop 구현을 최종목표로 하는 초고속 HBT 소자 및 회로기술개발을 지원하고 있음. 현재까지 400GHz급 초고속 전자소자와 150Gb/s flip-flop을 구현하였음
- 일본의 NEDO가 정부주도의 국책사업을 계획하여 GaN Furukawa Electric Co. Ltd, Fujitsu, Oki, NTT에서 전력소자의 상용화 제품개발을 추진하고 있음. Oki사는 GaN HEMT(50W, 2GHz)로 2005년 1월부터 샘플 보급을 시작했고, WiMAX의 차세대 이동통 신용 전력소자의 상용화를 추진하고 있음
- 대만은 국책 ITRI 산하에 TCSIA를 결성하여 국가 주도하에 WinSEMI, AWSC, GCT, CSMC 업체에 화합물반도체 파운드리를 개설하였음
- 유럽의 STM, Philips, Infineon사 역시 0.14μm의 200GHz 대역의 SiGe BiCMOS 생산기 술을 보유하고, 제품생산은 물론 파운드리 서비스를 하고, IHP는 독일의 연방정부 및 프랑크푸르트 주정부 지원 하에 SiGe BiCMOS 기술로 파운드리를 제공함
- 스웨덴은 SiCEP, 영국은 SCEPTRE의 프로그램으로 SiC를 비롯한 WBG 화합물반도체의 연구개발을 지원하여 차세대 반도체 시장의 선점을 추진함
- 캐나다의 경우 NRC (National Research Council Canada)에서 연구와 산업의 “Bridge the gap"을 위하여 CPFC(Canadian Photonic Fabrication Centre)를 설립하여 광 산업 체를 지원
- 프랑스의 Alcatel-Thales의 III-V lab은 대표적인 통신업체인 Alcatel과 국방업체인 Thales가 공동으로 2004년 7월 설립한 기관으로 두 기관의 시너지를 통한 화합물반도 체 관련 부품 개발에 주력함
3. 연구개발 목표 및 내용 3.1 연구개발목표 ㅇ 초고주파부품 HUB 구축을 통한 국내 초고주파부품 산업 활성화 - 화합물반도체 기반 초고주파부품 산업화 HUB 구축을 통한 상용화 품목 발굴 - 기 개발된 화합물반도체 기반의 연구시제품의 상용화 기술 연구 - 산업체의 신규 시스템 개발 시 필요한 prototype 적기 제공 ㅇ ITEM 선정 및 상용화 prototyping: - 산업체 수요에 부응하여 선정된 품목의 소자 라이브러리/PDK 구축, 공정 recipe 구축, 상용화 prototyping 제작 지원 및 품질 검증 ㅇ 상용화 개발 성공을 통한 기술이전 ㅇ 지속적 품질관리 지원을 통한 시장 점유 유도 3.2 연구개발내용 ㅇ 연구개발 성과목표 및 지표 : 화합물반도체 기반 초고주파 부품 상용화 지원 - 초고주파 상용화 부품 설계 - 2건 - 초고주파 상용시제품 제작 - 2건 - 특허출원 건수 - 국내 4건, 국외 1건 - 기술이전 - 2건 - 산업체와 지속적 협력 관계 – 1건
4. 추진체계 및 연구수행 방법 o 미래 시장 선점을 위한 화합물반도체 기반의 소자/모듈 설계, 제작 및 패키징 기술 고도화 o IT융합실험실의 연구시설과 25 여년간 축척된 반도체 소자, 공정기술을 국내 중소기업. 학 계. 연구기관에 개방하고, 기술지도를 통한 관련 기술경쟁력 향상 도모 및 소량 다품종의 반도체 시제품 개발, 기술 이전 및 소량생산 지원 4.1 연구개발 추진체계 [그림 4-1-1] 수요자중심 화합물반도체 부품 산업기반 강화 사업 수행 추진체계 4.2 연구수행 방법 ㅇ 상용화 추진 예 - 전자소자의 예 : 소량다품종 소자/집적회로 라이브러리[그림 4-2-1 참조] - [그림2-2]에서는 전자소자의 경우, 국내외 기업으로부터의 소량다품종 주문에 대응 하여 소자 라이브러리를 제공하면, 수요기업이 직접 설계 또는 디자인하우스에 의한 간접 설계를 하여 제작을 의뢰하면 Multi Project Wafer(MPW), 또는 주문자 전용 제작으로 공급하는 추진체계임
- 양산단계로 진입하면 양산 협력업체가 개입하고, 설계 고도화를 위한 허브 내 협력 기관(대학)에서 설계 개선을 지원하고 양산신뢰성을 인증받아 공급하는 공조체제를 운영함
[그림 4-2-1] 소량다품종 소자/집적회로 라이브러리 제공 상용화 추진체계 ㅇ 연구수행 방법 - 1/4분기 내에 화합물반도체 사용자 기술교류 워크샵 및 설문조사를 통해서 관련 산 업체와의 소통 및 상용화 부품 아이템 선정 및 협력 - 사용자기술교류협의체와 전문가위원회를 통하여 당해연도 개발할 상용화 부품 선정 및 공정성 확보 - 선정된 상용화 부품을 ETRI 화합물실험실을 활용하여 개발 완료 한후 관련 산업체 와 수요제기를 한 기업체를 대상으로 기술이전을 추진함 - 특허 등 상용화 부품 개발시 발생한 지적재산을 기술이전에 연계시켜서 기술의 활 용도 및 질적 우수성을 확보함 - 산업체와의 지속적 협력 관계를 통해서 산업체에서 요구되어지는 애로사항을 즉시 에 파악하고 이를 해결할수 있도록 지원함
5. 연구수행 내용 및 결과
5.1 0.25um 10W급 GaN HEMT 소자 개발
5.1.1 0.25um 10W급 GaN HEMT 소자 설계
X-band용 GaN HEMT 소자를 개발하기 위해서 먼저 소자의 게이트 길이를 결정해야 한다. 소자의 주파수 특성은 HEMT소자의 게이트 길이에 가장 큰 영향을 받으며 따라서, 10 GHz 대 역의 대면적 전력소자의 동작을 위해서는 충분한 RF 특성을 소자에서 확보해야 한다. 전계효과 소자의 고속 특성을 나타내는 지표는 차단주파수 (fT)와 최대 전력주파수 (fmax)가 있다. 높은 주파수에서 전계효과 소자를 사용하려고 하면 차단주파수와 최대 전력주파수를 증 가시켜야만 한다. 먼저 차단주파수는 전계효과 소자에서 채널층을 캐리어가 이동하는데 필요 한 시간의 역수로 정의할 수 있다. 즉, 게이트층의 제어를 통해서 채널층이 열려서 소자가 동 작되면 채널층의 캐리어가 이동하면서 활성화가 된다. 따라서 채널층을 얼마나 빨리 캐리어가 통과하는지가 차단 주파수를 결정하는 요인이다. 차단주파수는 따라서 트랜스컨덕턴스에 비례 하며 게이트길이에 반비례한다. X-band 대역 동작을 위해서 게이트 길이를 0.25 um로 결정 하였다. 게이트 길이에 따른 소자의 RF 특성을 확인해 보았을 때 0.25 um의 게이트 길이는 충분한 고속 특성을 나타낼 것으로 기대되었다. 0.25 um의 게이트 길이를 형성하기 위해서 e-beam 리소그라피 장비를 사용하였다. ETRI에서는 0.5 um 게이트 길이를 형성하기 위해서 는 스텝퍼 리소그라피 장비를 사용하나 그 이하의 게이트 길이는 e-beam 리소그라피 장비를 사용한다. 또한, RF 특성을 향상시키기 위해서 게이트 형태를 T-gate형태로 형성한다. T-gate 를 형성하기 위해서는 3층의 포토리지스트 레이어를 형성하고 두 번의 디벨로프 공정을 하여 야 하므로 공정의 스텝이 증가되는 문제가 있지만 게이트의 저항을 감소시킬 수 있으므로 RF 특성에서 최대 전력주파수의 향상에 기여할 수 있다. 게이트 길이 외에 소자 특성에 영향을 미치는 소자 파라미터에는 단위 게이트 폭, 소스-게이트 간 간격, 게이트-드레인 간의 간격, 게이트 헤드 길이, 게이트의 숫자가 있다. 대면적 전력소자와 단위 소자와의 소자 설계의 차이 점은 게이트의 숫자에만 있으며 다른 소자 파라미터는 동일하게 설계 하였다. 따라서, 단위소 자를 설계한 후에 필요한 게이트 숫자를 만들어 주기위해서 단위 소자를 반복해서 병렬로 연 결해서 대면적 소자를 설계 하였다. 10W 대면적 소자를 설계 하기 위해서는 출력전력에 맞는 소자의 전체 게이트 폭을 결정하여야 한다. 소자의 전체 게이트 폭은 소자의 단위 게이트 폭 과 게이트 개수의 곱으로 표시되며 소자의 출력전력밀도를 고려하여 결정해야 한다. ETRI 0.25 um GaN HEMT 소자의 출력전력밀도는 4 W/mm이상으로 그동안 측정되어 왔으며 따라 서 10 W이상의 출력전력을 만족하기 위해서는 전체 게이트 폭이 3 mm 정도면 충분할 것으 로 판단된다. 따라서, 소자 설계는 단위 소자 설계와 대면적 소자 설계로 진행하였다. 단위 소 자는 앞서 서술한 바와 같이 소자의 기본적인 특성을 측정하고 공정 결과를 검증하는 데 사용 될 것이며 대면적 소자는 실제 목표로 하는 10 W 이상의 출력을 얻는 전력소자로 사용한다. 전력 특성에는 출력전력이외에도 출력이득과 효율 등의 파라미터가 중요하며 이러한 특성은 단위소자에서 먼저 검증된 후 대면적 소자에서 최종적으로 확인하는 절차를 따르게 된다. 단
위소자의 특성 측정은 공정 후 on-wafer 상태에서 프루브스테이션을 사용하여서 측정하게 되 며 대면적 소자는 출력전력이 크므로 on-wafer 상태에서는 측정할 수 없고 웨이퍼를 다이싱 한 후에 하나의 전력소자를 캐리어에 실장하여서 측정하게 된다. 0.25 um X-band GaN HEMT 소자의 소자 파라미터를 표 1에 나타내었다.
[표 5-1-1-1] 0.25 um X-band GaN HEMT 소자 파라미터
Name Description Value [um]
NG Number of Gate Finger variable
LG Gate Length 0.25
WG Gate Width 100
LSD Length between Source and Drain 5 LGS Length between Gate and Source 1 LGD Length between Gate and Drain 3.5 LGTG Length between Gate to Gate 30
[표 5-1-1-1]에 나타난 바와 같이 게이트 핑거는 단위 소자와 대면적 소자에 따라서 가변하 여 결정하며 게이트 길이는 0.25 um이며 단위 게이트 폭은 100 um이다. 소자의 주파수 특성 에 큰 영향을 미치는 소자 내부의 소스와 드레인 간의 간격은 5 um이며 소스와 게이트 간의 간격은 1 um이며, 게이트와 드레인 간의 간격은 3.5 um이다. 반복되는 게이트와 게이트간의 간격은 30 um으로 일정하게 하였다. [그림 5-1-1-1]은 설계된 소자 가운데 가장 대표적인 단위소자인 XO200_100와 XO600_100 소자이다.
[그림 5-1-1-1] 0.25 um X-band GaN HEMT 단위 소자 레이아웃 (XO200_100, XO600_100)
[그림 5-1-1-1]에서 나타낸 바와 같이 XO200_100은 두 개의 게이트 핑거를 가지며 단위 게 이트 폭이 100 um이며 XO600_100은 여섯 개의 게이트 핑거를 가지며 단위 게이트 폭이 100 um인 소자이다. 두 개의 대표적인 단위 소자의 소자 파라미터를 [표 5-1-1-2]에 나타내었다.
[표 5-1-1-2] 0.25 um X-band GaN HEMT 소자 파라미터
Name XO200_100 XO600_100
NG 2 6 LG [um] 0.25 0.25 WG [um] 100 100 LSD [um] 5 5 LGS [um] 1 1 LGD [um] 3.5 3.5 LGTG [um] 30 30 10W 출력전력을 위한 대면적 전력소자의 전체 게이트 폭은 전력밀도를 고려하여 전체 게이 트 폭을 3 mm로 결정하였다. 따라서, 단위 게이트 폭이 100 um이므로 3 mm의 전체 게이트 폭을 가지기 위해서는 게이트 핑거의 개수가 30개가 되어야 한다. 10W 출력전력을 위해 설계 된 대면적 전력 소자의 그림을 [그림 5-1-1-2]에 나타내었다.
[그림 5-1-1-2] 10W 출력전력을 위한 0.25 um X-band GaN HEMT 대면적 소자 레이아웃 모두 30개의 게이트 핑거 개수를 가지며 입력단은 세 개의 입력 패드로 구성하였고 각 입력 패드의 좌우에는 그라운드 패드를 배치하였다. 그라운드 패드와 입력 패드의 중심간의 간격은 150 um이며 출력패드는 다 수의 와이어 본딩을 위하여 하나의 패드로 구성 하였다. 게이트 입력단의 배선은 첫 번째 금속으로 제작 하였으며 소자의 접지를 형성하는 소스패드는 에어브 릿지 금속을 통하여 하나로 연결되도록 하였다. 드레인 패드는 높은 출력과 전류를 견딜 수 있도록 첫 번째 금속과 에어브릿지 금속을 겹쳐서 증착 하였다. GaN HEMT 전력소자의 상용화를 위해서는 대표적인 전력소자를 한 번의 공정에서 다 수 확보
할 수 있어야 한다. 따라서, 현재 4인치 웨이퍼를 사용하는 공정에서는 대표 전력소자를 다 수 반복적으로 배치하여 마스크를 설계 하여야 한 다. 10W 출력전력을 위한 0.25 um X-band GaN HEMT 대면적 소자를 웨이퍼 상에 반복되는 하나의 필드에 다수 배치하여 실제 공정 완 료후에 많은 동일한 칩을 얻을 수 있도록 마스크 설계를 하였다. [그림 5-1-1-3]은 동일 대 면적 전력소자를 확보하기 위한 마스크 레이아웃을 나타내었다.
[그림 5-1-1-3] 10W X-band GaN HEMT 마스크 레이아웃
10W X-band GaN HEMT 대면적 소자의 이름은 3E03으로 명명하였으며 하나의 필드에 반복 적으로 다수를 배치하였다. 그림에 나타낸 바와 같이 가로 7개, 세로 12개를 배치하여 총 84 개의 대면적 소자를 공정 후에 하나의 필드에서 확보할 수 있도록 하였다. 하나의 필드의 크 기가 가로 10 mm이고 세로 10 mm일 때 4인치 웨이퍼에서의 유효 필드의 개수가 45개로 정 해지므로 총 대면적 소자의 개수는 3780개가 된다. 마스크에는 대면적 소자 이외에도 소자 특 성 검증을 위한 단위소자가 있으며 공정을 진행하면서 각 스텝별로 특성 확인을 위한 PCM소 자 등이 포함되어 있다.
5.1.2 0.25um 10W급 GaN HEMT 소자 제작 공정
본 공정에서는 Cree의 에피 웨이퍼를 사용하여 게이트길이 0.25um인 10W급 GaN HEMT 소자 공정을 진행하였다. 사용된 웨이퍼의 에피구조는 [그림 5-1-2-1]과 같다.
AlGaN, 25.5% Al, 25.0 nm
Fe doped (away from channel) GaN buffer, 2.0 microns Cree proprietary nucleation layer
SI SiC substrate
[그림 5-1-2-1] AlGaN/GaN HEMT on SiC 웨이퍼의 에피구조
화합물실험실의 electron-beam thermal evaporator #3을 사용하여 Ti/Al/Ni/Au를 증착하였 다. 금속막의 두께는 각 층이 300A/1000A/300A/1000A이 되도록 하였다. 오믹 열처리는 900C, 50sec 간 RTA 하였다.[그림 5-1-2-2]
[그림 5-1-2-2] 950C 오믹 열처리 후의 오믹 전극 표면 형상
기본적으로 인(P)의 이온주입에 의해 소자 분리 공정을 수행하였는데, 본 공정에서는 포토레지 스트와 더불어 SiN 막을 함께 이온주입의 마스크로 사용하였다. 즉 SiN 500A을 전면에 PECVD를 이용하여 280C에서 증착한 후 PFI38A를 사용하여 패턴닝한 후 BOE6:1로 40초 간 SiN 를 식각하였다. 노출된 액티브 이외의 영역에 이온 주입이 되어 기판의 전도성을 잃도록 하였다. 포토레지스트의 제거는 plasma ashing 및 EKC830을 사용하였다.
XO200/2ohm 소자의 left finger에서 측정한 소스-드레인 간 저항은 36~38 ohm의 값을 보 였고, 전류는 93~98mA로 측정되었다. BOE6:1을 사용하여 SiN 막을 모두 제거하였다. 패시베 이션 막이 제거됨에 따라 소스-드레인 간 저항은 1~2 ohm 증가하였고, 전류는 84~92mA로 감소되었다. Isolation 공정 후 NINT의 PECVD를 사용하여 SiN를 500A 증착하였다. Dgate 마 스크를 사용하여 1st metal과 접촉할 오믹 전극 영역을 오픈 패터닝하였다. MERIE로 40초 식 각 후 Descum과 ashing으로 PR을 제거하였다. 1st metal증착 전 HCl:H2O = 1:1 로 40초간
cleaning 하였다. 메탈 두께는 Ti/Au = 300/3700A이었으며 리프트오프를 통해 연결금속 공정 을 완료하였다. 소스-드레이 간 간격이 5um이며, 게이트 폭이 100um인 XO200/2pcm(L) 소 자의 소스-드레인 간 전류는 83~90mA, 저항은 36~43ohm 이었다. 100nm 선폭으로 PMMA 감광막 위에 electron-beam lithography를 사용하여 게이트 풋 영역을 오픈하였다. Descum 후 패턴의 모습은 [그림 5-1-2-3]와 같다. CD SEM으로 측정한 SL pattern의 선폭은 0.135~0.141(in) um로 측정되었다. 107V의 DC bias가 유도되는 조건에서 15분 간 ICP dry
etcher를 사용하여 SiN 막을 식각하였다. PR을 제거한 후 SiN 막에 오픈된 SL 선폭은 0.164~0170(in) um 였다.[그림 5-1-2-4] Tri-layer PMMA e-beam litho. 공정에 의해 T-형 의 게이트 전극 단면 형상을 갖도록 litho. 공정을 하였다.[그림 5-1-2-5]
[그림 5-1-2-3] Gate foot 정의를 위한 electron beam lithography 및 descum 후 PMMA 형상
[그림 5-1-2-4] Gate foot 정의를 위한 SiN RIE 후 PMMA 형상
[그림 5-1-2-5] T-gate 정의를 위한 3층 구조의 PMMA/Co-polymer/PMMA electron-beam lithography 후 감광막 형상
게이트 전극을 증착하기 전 descum과 HCl을 번갈아 사용하여 recess 식각을 수행하였다. 게이트 메탈(Ni/Au=300/6000A) 증착 및 리프트오프에 의해 게이트 전극 공정을 완료하였다. NINT PECVD로 300A 두께의 SiN을 증착하여 게이트 전극을 포함한 소자를 패시베이션 하였 다. Via litho. 공정 및 ICP 건식 식각 공정을 통해 전극 패드를 오픈하였다. Air-bridge post litho. 후 seed metal의 증착은 Ti/Ni/Au=20/90/8A 두께로 하였으며, Air-bridge metal litho. 후 60C에서 50mA 의 전류로 40분 간 Au 도금하였다. Seed metal 및 PR의 리프트오프에 의 해 Air-bridge 공정을 완료하였다.
그림 [그림 5-1-2-6]은 각 필드에 있는 XO200/2ohm(L) 소자의 Ids, Vth 및 Gm(max) 을 측정하여 맵핑하였다.
5.1.3 0.25um 10W급 GaN HEMT 소자 측정
X-대역 10 W급 GaN FET 측정결과(F16020 W26M wafer)로서, ETRI 0.25 ㎛ GaN HEMT on SiC 공정을 사용하여 제작한 웨이퍼 F16020 W26M의 측정한 결과이다. 출력전력 10 W 이상의 특성을 갖는 ETRI GaN FET 소자인 게이트 길이 0.25 ㎛, 30개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 3 mm인 3E03_100 소자의 특성을 파악하고자 측정하였다. 3E03_100소자는 소자의 크기가 큰 관계로 계측기의 측정범위 한계로 인하여 대신호 및 소신 호 특성이나 DC 특성을 직접 측정하기 어렵다. 따라서 ETRI GaN FET 소자인 게이트 길이 0.25 ㎛, 2개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 200 ㎛인 XO200_100 소자와 게 이트 길이 0.25 ㎛, 6개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 600 ㎛인 XO600_100 소자의 특성을 측정하여 X-band 10 W급 GaN FET인 3E03_100 소자의 특성을 파악하였다. [그림 5-1-3-1(b)]와 같이 5개의 숫자로 표시된 필드의 XO200_100 소자와 XO600_100 소자 를 측정하였다.
(a) 제작한 F16020 W26M 웨이퍼 (b) 측정한 필드를 숫자로 표시
[그림 5-1-3-1] 4인치 0.25 ㎛ GaN HEMT on SiC공정을 사용하여 제작한 X-band 10 W급 GaN FET (F16020 W26M) 웨이퍼
[그림 5-1-3-2]는 ETRI 0.25 ㎛ GaN HEMT on SiC 공정을 통해 제작한 X-대역 10 W급 GaN FET (F16020 W26M) 웨이퍼의 필드안 GaN FET 소자 배치도로서 노란색으로 표시된 부분은 3E03_100 소자이고, 주황색으로 표시된 부분은 XO200_100, XO600_100 소자이다. 3E03_100 소자는 소자의 크기가 큰 관계로 계측기의 측정범위 한계로 인하여 대신호 및 소신호 특성이나 DC 특성을 직접 측정하기 어렵다. 따라서 ETRI GaN FET 소자인 게이트 길이 0.25 ㎛, 2개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 200 ㎛인 XO200_100 소자와 게이트 길이 0.25 ㎛, 6개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 600 ㎛인 XO600_100 소자의 특성을 측정하여 X-대역 10 W급 GaN FET인 3E03_100 소자의 특성을 이 두 개의 소자를 이용하여 예측 판단할 것이다. 4인치 X-대역 10 W급 GaN FET 소자인 3E03_100 소자는 그림 2에서 나타낸 바와 같이 1개의 필드당 74개를 확보할 수 있다. 4인치 웨이퍼는 65개의 유효 필드가 있으므로 4810개의 3E03_100 소자가 있음을 확인할 수 있다.
[그림 5-1-3-2] 제작한 X-대역 10 W급 GaN FET (F16020 W26M) 웨이퍼의 필드안 GaN FET소자 배치도 (노란색 : 3E03_100 소자, 주황색 : XO200_100, XO600_100 소자) [그림 5-1-3-3]은 ETRI 공용 측정실에서 보유중인 Maury사의 로드풀 측정장비를 셋업한 사진이며, 주파수는 10 GHz, 입력 전력을 위한 Signal Generator, 바이어스 입력을 위한 Bias-Tee, 전력세기를 감지하는 Power Sensor, 감지한 전력세기를 측정하는 Power Meter, 입출력 정합을 위한 Tuner, 웨이퍼를 프로빙하기 위한 Probe-Station, 감지 가능한 출력 전력세기로 감쇄하기 위한 Attenuator, 감지된 출력 신호를 보여주는 Spectrum Analyzer로 구성되어있다.
[그림 5-1-3-4]는 앞서 설명한 로드풀 측정 시스템을 컨트롤하는 소프트웨어로 Maury사에서 제작한 것이다. [그림 5-1-3-5]는 RF 특성인 S-parameter를 측정하기 위한 측정 시스템을 보여주는 것으로 Probe-Station과 Network Analyzer를 이용하여 S-parameter를 측정할 수 있다. [그림 5-1-3-6]은 온-웨이퍼 측정을 위해 프로브 스테이션에 프로빙한 모습을 사진으로 나타낸 것이며, 로드풀 측정과 RF 측정, DC 측정에 있어서 온-웨어퍼 테스트를 하기 위해서는 프로브 스테이션을 이용하여 측정한다. [그림 5-1-3-4] 10 GHz 로드풀 측정 소프트웨어 (Maury사) [그림 5-1-3-5] RF 특성(S-parameter) 측정 시스템
[그림 5-1-3-6] 온-웨이퍼 측정을 위해 프로브 스테이션에 프로빙한 모습
5.1.3.1 GaN HEMT (Wg=2x100 ㎛, XO200_100) 소자 특성 측정
[그림 5-1-3-7]은 제작한 게이트 길이 0.25 ㎛, 2개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 200 ㎛인 XO200_100 소자의 사진이며, [그림 5-1-3-8]은 DC 특성을 측정한 결과를 보여준다. 5개 필드 중에서 33번 필드의 특성을 보여준다. 드레인 포화전류 Idss는 Vds=10 V, Vgs=0 V에서 126 mA (632 mA/mm)이고, 최대 트랜스컨덕턴스 Gm은 Vds=10 V, Vgs=-2 V에서 46.53 mS (233 mS/mm)이다.
(a) XO200_100 소자 레이아웃 (b) 제작된 XO200_100 소자 사진 [그림 5-1-3-7] GaN FET 소자(XO200_100 소자, Wg,total=0.2 mm)
(a) Ids-Vds 측정결과 (b) Gm, Ids-Vgs 측정결과 [그림 5-1-3-8] XO200_100 소자의 DC 특성 측정결과 [그림 5-1-3-9]는 제작한 게이트 길이 0.25 ㎛, 2개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 200 ㎛인 XO200_100 소자의 RF 특성 출력 전력 특성을 측정한 결과를 보여준다. 5개 필드중에서 33번 필드의 특성을 보여준다. 차단주파수 ft는 Vds=10 V에서 45 GHz이고, 최대 발진주파수 fmax는 Vds=10 V에서 142 GHz이다. 측정 주파수 10 GHz에서 출력전력 특성 측정결과는 Vds=40 V, Vgs=-2 V, Ids,q=57 mA인 바이어스 조건에서 출력전력 Pout은 29.25 dBm으로 0.84 W이며 전력밀도는 4.21 W/mm이며, 전력이득 power gain은 19.35 dB, 효율 PAE는 30.76%이다.
(a) ft, fmax 측정결과 (b) 출력전력 특성 측정결과 [그림 5-1-3-9] XO200_100 소자의 RF 특성 및 출력전력 특성(@10 GHz) 측정결과 [그림 5-1-3-10]은 제작한 게이트 길이 0.25 ㎛, 2개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 200 ㎛인 XO200_100 소자의 바이어스별/필드별 전력 특성을 측정한 결과를 보여준다. 5개 필드 중에서 55번 필드는 드레인 전압 Vds를 20~40 V까지 변화하면서 특성을 측정하였고 나머지 4개 필드는 드레인 전압 Vds를 40 V의 조건에서 측정한 결과를 보여준다. 그림 6에서 알 수 있듯이 출력전력, 출력전력밀도, 효율 모두 드레인 전압 Vds에 선형적으로 증가 또는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 전력이득은 드레인 전압 Vds가 20 V인 경우를 제외하고는 거의 일정한 특성을 나타내었다. 출력 전력밀도는 드레인 전압 Vds가 40 V일 때 가장 우수하며 출력전력 특성 측정결과는 전력밀도는 4.21 W/mm이며, 전력이득 power gain은 19.35 dB, 효율 PAE는 30.76%이다. [그림 5-1-3-11]은 Q사의 GaN FET 소자
(TGF2023-2-02)의 특성을 나타낸 것이다. 상용 GaN 전력소자(Q社, TGF2023-2-02)와 비교할 때, 상용 GaN 소자는 드레인 전압을 32V까지로 제한하여 사용할 수 있으나 ETRI GaN FET 소자는 이보다 8 V가 높은 동작전압에서 사용이 가능하며 이와 같이 고전압 동작이 가능함에 따라 출력 전력밀도도 향상시킬 수 있다고 판단된다. (a) 출력전력밀도 측정결과 (b) 전력이득 측정결과 (c)효율 PAE 측정결과 (d) 필드별 XO200_100 측정결과 [그림 5-1-3-10] XO200_100소자의 바이어스별/필드별 전력특성 측정결과
[그림 5-1-3-11] Q사의 GaN FET 소자(TGF2023-2-02)의 특성
5.1.3.2 GaN HEMT (Wg=6x100 ㎛, XO600_100) 소자 특성 측정
[그림 5-1-3-12]는 제작한 게이트 길이 0.25 ㎛, 6개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 600 ㎛인 XO600_100 소자의 사진이며, [그림 5-1-3-13]은 DC 특성을 측정한 결과를 보여준다. 5개 필드 중에서 55번 필드의 특성을 보여준다. 드레인 포화전류 Idss는 Vds=10 V, Vgs=0 V에서 410 mA (683 mA/mm)이고, 최대 트랜스컨덕턴스 Gm은 Vds=10 V, Vgs=-2.5 V에서 236 mS/mm이다.
(a) XO600_100 소자 레이아웃 (b) 제작된 XO600_100 소자 사진 [그림 5-1-3-12] GaN FET 소자(XO600_100 소자, Wg,total=0.6 mm)
(a) Ids-Vds 측정결과 (b) Gm, Ids-Vgs 측정결과 [그림 5-1-3-13] XO600_100소자의 DC 특성 측정결과 [그림 5-1-3-14]는 제작한 게이트 길이 0.25 ㎛, 6개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 600 ㎛인 XO600_100소자의 RF 특성 출력 전력 특성을 측정한 결과를 보여준다. 5개 필드 중에서 55번 필드의 특성을 보여준다. 차단주파수 ft는 Vds=10 V에서 55 GHz이고, 최대 발진주파수 fmax는 Vds=10 V에서 107 GHz이다. 측정 주파수 10 GHz에서 출력전력 특성 측정결과는 Vds=35 V, Vgs=-1.8 V, Ids,q=198 mA인 바이어스 조건에서 출력전력 Pout은 33.7 dBm으로 2.35 W이며 전력밀도는 3.92 W/mm이며, 전력이득 power gain은 18.4 dB, 효율 PAE는 28%이다.
(a) ft, fmax 측정결과 (b) 출력전력 특성 측정결과 [그림 5-1-3-14] XO600_100 소자의 RF 특성 및 출력전력 특성(@10 GHz) 측정결과 [그림 5-1-3-15]는 제작한 게이트 길이 0.25 ㎛, 6개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 600 ㎛인 XO600_100 소자의 필드별 전력 특성을 측정한 결과를 보여준다. 드레인 전압 Vds를 35 V의 조건에서 측정한 결과를 보여준다. [그림 5-1-3-15]에서 알 수 있듯이 출력전력, 출력전력밀도, 효율 모두 필드별로 거의 유사하게 측정된 것을 확인할 수 있다. 5개의 필드에 대한 평균을 살펴보면, 출력전력 특성은 Vds=35 V 바이어스 조건에서 전력밀도는 3.64 W/mm이며, 전력이득 power gain은 18.2 dB, 효율 PAE는 26%이다.
(a) 출력전력밀도 측정결과 (b) 전력이득 측정결과
(c) 효율 PAE 측정결과 (d) 필드별 XO600_100 측정결과 [그림 5-1-3-15] XO600_100소자의 필드별 전력특성 측정결과
5.1.4 결론
X-band 10W GaN HEMT on SiC 소자 전용의 GANRF2015-1 마스크를 사용하여 제작한 F16020 - w26m 웨이퍼의 공정 결과와 소자 측정 결과를 요약하였다. AlGaN 층의 두께가 250A 인 Cree사의 4인치 GaN on SiC 에피웨이퍼를 사용하였다. 전면공정 완료 후 소자의 DC 특성을 측정하였고, 각 필드에서의 Vth, Gm(max) 및 Ids 측정값을 mapping 하였다. 제작된 게이트 길이가 0.25 ㎛, 게이트 폭이 2×100 ㎛인 XO200_100 GaN HEMT 소자와 게이트 길이가 0.25 ㎛, 게이트 폭이 6×100 ㎛인 XO600_100 GaN HEMT 소자의 DC&RF 측 정 결과를 정리하였다. GaN FET 소자인 게이트 길이 0.25 ㎛, 2개 게이트, 단위 게이트 100 ㎛, 총 게이트 폭 200 ㎛인 XO200_100 소자의 특성을 측정한 결과를 요약하면, 주파수 10 GHz에서 드레인 전압 40 V에 대해 출력전력은 3.9 W/mm, 이득은 19.9 dB, 효율은 29%를 얻었다. 그리고 게이트 길이 0.25 ㎛, 6개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 600 ㎛인 XO600_100 소자의 특성을 측정한 결과를 요약하면, 주파수 10 GHz에서 드레인 전압 35 V에 대해 출력전력은 3.64 W/mm, 이득은 18.2 dB, 효율은 26%를 얻었다. 이와 같은 특
성을 통해 [그림 5-1-3-16]과 같은 출력전력 10 W 이상의 특성을 갖는 X-대역 10 W급 GaN FET 소자인 게이트 길이 0.25 ㎛, 30개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 3 mm인 3E03_100 소자의 특성을 파악할 수 있다. 따라서 X-대역 10 W급 GaN FET 소자 인 게이트 길이 0.25 ㎛, 30개 게이트, 단위 게이트 폭 100 ㎛, 총 게이트 폭 3 mm인 3E03_100 소자의 예상특성은 주파수 10 GHz에서 드레인 바이어스 35 V에 대해 출력전력은 10.9 W (3.64 W/mm x 3 mm = 10.9 W)를 얻을 것으로 판단된다.
(a) E03_100 소자 레이아웃
(b) 제작된 3E03_100 소자 사진
5.2 X-대역 40W GaN IMFET 개발
5.2.1 X-대역 40W AlGaN/GaN HEMT 소자 제작
[그림 5-2-1-1]은 SiC 기판을 사용하는 X-대역 GaN HEMT 전력소자의 제작공정 순서를 나타낸 것이다.
[그림 5-2-1-1] X-대역 GaN HEMT 전력소자 공정 순서도
화합물실험실의 electron-beam thermal evaporator 를 사용하여 Ti/Al/Ni/Au를 증착하였다. 금속막의 두께는 각 층이 300A/1000A/300A/1000A이 되도록 하였다. 오믹 열처리는 900C, 50sec 간 RTA 하였다. 기본적으로 인(P)의 이온주입에 의해 소자 분리 공정을 수행하였는데, 본 공정에서는 포토레지스트와 더불어 SiN 막을 함께 이온주입의 마스크로 사용하였다. 즉
SiN 500A을 전면에 ETRI 화합물실험실의 PECVD를 이용하여 280C에서 증착한 후 PFI38A를 사용하여 패턴닝한 후 BOE6:1로 35초 간 SiN 를 식각하였다. 노출된 액티브 이외의 영역에 이온 주입이 되어 기판의 전도성을 잃도록 하였다. 포토레지스트의 제거는 O2 plasma ashing 및 EKC830을 끓여서 사용하였다. XO200/2ohm 소자의 left finger에서 측정한 소스-드레인 간 저항은 37~43 ohm의 값을 보였고, 전류는 89~96 mA로 측정되었다. BOE6:1을 60초간 사용하여 SiN 막을 모두 제거하였다.[그림 5-2-1-2]
[그림 5-2-1-2] Ion implant에 의한 isolation 공정 후 소스-드레인 채널영역의 표면 형상 Isolation 공정 후 NINT의 PECVD를 사용하여 SiN를 500A 증착하였다. Dgate 마스크를 사 용하여 1st metal과 접촉할 오믹 전극 영역을 패터닝하여 오픈하였다. MERIE로 40초 식각 후 ashing과 Aceton으로 PR을 제거하였다. 1st metal 증착 전 HCl:H2O = 1:1 로 40초간
cleaning 하였다. 메탈 두께는 Ti/Au = 300/3700A이었으며 리프트오프를 통해 연결금속 공정 을 완료하였다. 소스-드레인 간 간격이 5um이며, 게이트 폭이 100um인 XO200/2pcm(L) 소 자의 소스-드레인 간 전류는 88~94 mA, 저항은 32~37 ohm 이었다. Ohmic TLM pattern에 서 측정한 substrate의 면저항은 485 ohm/sq로 측정되었다. 1st metal 공정 후 액티브 영역의
[그림 5-2-1-3] 1차 연결 금속이 형성된 후 소자 영역의 광학 및 SEM 사진
100nm 선폭으로 PMMA 감광막 위에 electron-beam lithography 방법으로 게이트 풋 영역 을 오픈하였다. Descum 후 CD SEM으로 측정한 SL pattern의 선폭은 0.117 um로 측정되었 다. 60초 동안 desum 한 후 선폭은 0.135~0.141 um로 넓어졌다. 110V의 DC bias가 유도되 는 조건에서 15분 간 ICP dry etcher를 사용하여 SiN 막을 식각하였다. PR을 제거한 후 SiN 막에 오픈된 SL 선폭은 0.152~0.158 um 였다. Tri-layer PMMA e-beam litho. 공정에 의해 T-형의 게이트 전극 단면 형상을 갖도록 litho. 공정을 하였다. 게이트 전극을 증착하기 전
descum과 HCl을 번갈아 사용하여 recess 식각을 수행하였다. 게이트 메탈
(Ni/Au=300/6000A) 증착 및 리프트오프에 의해 게이트 전극 공정을 완료하였다.[그림 5-2-1-4]
[그림 5-2-1-4] Gate metal 형성 후 드레인-게이트-소스 전극의 모습
NINT PECVD로 300A 두께의 SiN을 증착하여 게이트 전극을 포함한 소자를 패시베이션 하 였다. Via litho. 공정 및 ICP 건식 식각 공정을 통해 전극 패드를 오픈하였다. Air-bridge post litho. 후 seed metal의 증착은 Ti/Ni/Au=20/90/8A 두께로 하였으며, Air-bridge metal litho. 후 60C에서 50mA 의 전류로 45분 간 Au 도금하였다. Seed metal 및 PR의 리프트오프 에 의해 Air-bridge 공정을 완료하였다.
정된 DC 특성을 각각 [그림 5-2-1-5]와 [그림 5-2-1-6]에 나타내었다. XO200/2ohm(L) 소 자의 Vth = -3.44 V, Gm(max) = 275 mS/mm로 측정되었다. Vds = 10 V, Vg = 0 V에서 Ids = 72.8 mA로 측정되었다. Vds = 10 V, Vg = -5 V에서 측정한 Id(leak)는 848 nA 였다. XO200/2pcm(L) 소자의 Vth = -3.39 V, Gm(max) = 270 mS/mm 로 측정되었다. Vds = 10 V, Vg = 0 V에서 Ids = 70.1 mA로 측정되었다. Vds = 10 V, Vg = -5 V에서 측정한 Id(leak)는 1.52 uA 였다. 총게이트 길이 200 um인 단위기본 소자인 2f100 소자의 DC 특성 은 Vth = -3.24 V, Gm(max) = 210 mS/mm 로 측정되었다. Vds = 10 V, Vg = -5 V에서 측정한 Id(leak)는 390 nA 였다.[그림 5-2-1-7] [그림 5-2-1-5] XO200/2ohm(L) 소자의 DC 특성 [그림 5-2-1-6] XO200/2pcm(L) 소자의 DC 특성 [그림 5-2-1-7] 2f100 소자의 DC 특성
5.2.2 X-band GaN HEMT 소자 특성 측정
X-band GaN HEMT소자의 DC, RF, Power 특성을 측정하였다. 소자는 먼저 on-wafer 상 태에서 기본 테스트 소자의 DC/RF를 측정하였고, X-band 대역인 10GHz에서 Power를 측정 하였다. 기본 소자는 2×100 ㎛인 GaN HEMT 소자이다. 게이트 폭이 2x100 ㎛인 GaN HEMT 소자는 게이트 2개, 게이트 길이 0.25 ㎛, 단위 게이트 폭 100 ㎛를 갖는 기본 소자이다. 소 스 드레인 간격은 5 um이다. [그림 5-2-2-1]에 측정에 사용한 두가지 종류의 GaN HEM기본 소자 레이아웃을 나타내었다. [그림 5-2-2-1] GaN HEMT 기본소자소자 레이아웃 두가지 기본소자를 사용하였으며 두 소자의 이름은 OHMPCMSD50um와 PCMSD50um 이다. 두 소자의 소자 파라미터는 동일하며 공정상의 차이만을 두었다. 즉, 레이아웃 상에 오믹전극 레이어만 차이를 두었으며 OHMPCMSD50um의 경우 소스 패드와 드레인 패드위에 증착한 오 믹 금속을 패드 까지 확장 하였다. 따라서, 첫 번째 금속이 증착하기 전에 소자 특성을 측정할 수 있도록 하였다. DC 측정은 드레인 전압을 0 V에서 20 V로 게이트 전압을 -5 V 에서 0 V 까지 변화시켰을 때의 드레인 전류값 변화를 살피는 I-V 측정과 일정한 드레인 전압 10 V 에 서 게이트 전압을 변화시켰을 때의 드레인 전류와 트랜스 컨덕턴스 변화를 측정하는 트랜스 컨덕턴스 측정 2가지를 수행하였다. I-V 측정조건은 Vds = 0 ~ 20 V, Vgs = -5 ~ 0 V (1 V step)이고, Gm은 Vds = 10 V에서 Vgs = -5 ~ 0 V이다.
[그림 5-2-2-2]는 게이트 전체 폭 (Wg)이 200 ㎛인 OHMPCMSD50um GaN HEMT 소자를 측정한 I-V 곡선과 트랜스 컨던턴스 Gm을 측정한 그래프이다. 전체 게이트 폭이 200 ㎛인 GaN HEMT 소자는 Vds = 10 V 에서 Idss = 144 mA이며 우수한 핀치오프 특성을 나타내었 다. 트랜스 컨덕턴스 그래프로부터 최대 트랜스 컨덕턴스는 296 mS/mm 이다. RF 특성을 측 정하기 위한 측정조건은 주파수 500 MHz ~ 50 GHz에서 드레인 전압 Vd = 10 V로 일정하게 하고, 게이트 전압을 변화시키면서 측정 한다. 각 바이어스 조건에서 측정한 S-parameter를 H21과 MSG(maxim㎛ Stable Gain), MAG(Maxim㎛ Available Gain)을 이용하여 [그림 5-2-2-3]과 같이 차단주파수(cutoff Frequency, ft), 최대발진주파수(Maxim㎛ Oscillation Frequency, fmax) 추출하였다. 게이트 폭이 200 ㎛인 GaN HEMT 소자는 Vds = 10 V, Vgs
= -1.9 V 에서 ft = 50.1 GHz, fmax = 108.72 GHz 이다.
[그림 5-2-2-2] 게이트 폭이 2x100 ㎛인 OHMPCMSD50um GaN HEMT DC측정 결과
109 1010 1011 0 10 20 30 40 50 H21 MSG/MAG H 2 1 & M S G /M A G [ d B ] Frequency [Hz] fT = 50.10 GHz fmax = 108.72 GHz
같은 소자 파라미터를 가진 PCMSD50um 소자의 측정 결과를 다음 그림에 나타내었다.
[그림 5-2-2-4] 게이트 폭이 2x100 ㎛인 PCMSD50um GaN HEMT DC측정 결과
109 1010 1011 0 10 20 30 40 50 H21 MSG/MAG H 2 1 & M S G /M A G [ d B ] Frequency [Hz] fT = 50.07 GHz fmax = 112.13 GHz
[그림 5-2-2-4]에서 나타낸 측정 결과로부터 게이트 전체 폭 (Wg)이 200 ㎛인 PCMSD50um GaN HEMT 소자는 Vds = 10 V 에서 Idss = 127 mA이며 우수한 핀치오프 특성을 나타내었 다. 트랜스 컨덕턴스 그래프로부터 최대 트랜스 컨덕턴스는 253 mS/mm 이다. RF 특성을 측 정하기 위한 측정조건은 주파수 500 MHz ~ 50 GHz에서 드레인 전압 Vd = 10 V로 일정하게 하고, 게이트 전압을 변화시키면서 앞서와 동일하게 측정 하였다. 구해진 차단주파수(cutoff Frequency, ft), 최대발진주파수(Maxim㎛ Oscillation Frequency, fmax)는 Vds = 10 V, Vgs = -1.9 V 에서 ft = 50.07 GHz, fmax = 112.13 GHz 이다. PCMSD50um 소자와 OHMPCMSD50um소자를 비교해 보면 OHMPCMSD50um 소자의 특성이 우수한 것을 확인할 수 있으며 이러한 차이는 저항값의 감소로 인한 것으로 보인다. DC 특성 뿐만아니라 RF 특성 에서도 차이가 있으며 특히 fmax값의 차이는 저항값의 차이와 관련된다. 소자의 전력특성은 ETRI 측정실에 보유하고 있는 로드풀 측정 시스템을 사용하였다. 보유 하고 있는 로드풀 측정 시스템은 Maury Microwave사의 시스템으로 입출력 튜너를 이용하여 최적의 입력, 출력 매칭 포인트를 찾을 수 있다. 측정주파수는 10 GHz 이다.
[그림 5-2-2-6] X-band GaN HEMT 로드풀 측정 시스템
10GHz 대역에서 입력전력은 –3 dBm에서 14 dBm까지 증가하면서 소자의 출력전력과 DC 바 이어스 레벨을 측정하였다. 입력전력대비 출력전력으로부터 전력이득을 확인할 수 있으며 각 출력전력에서의 DC 바이어스레벨로부터 효율을 계산할 수 있다. 소자의 전력밀도는 전체 게이 트 폭을 가지고 계산하여 나타내었다. OHMPCMSD50um 전력소자의 출력전력은 28.37 dBm 이며 선형전력이득은 20.82 dB이었다. 전력밀도는 3.43 W/mm를 나타내었고, 이 때의 효율 PAE는 32%를 보였다. PCMSD50um 전력소자의 출력전력은 28.01 dBm이며 선형전력이득은 19.61 dB이었다. 전력밀도는 3.16 W/mm를 나타내었고, 이 때의 효율 PAE는 31%를 보였다. PCMSD50um 전력소자의 출력전력은 28.01 dBm이며 선형전력이득은 19.61 dB이었다. 전력 밀도는 3.16 W/mm를 나타내었고, 이 때의 효율 PAE는 32%를 보였다. PCMSD50um 전력소 자의 출력전력은 28.01 dBm이며 선형전력이득은 19.61 dB이었다. 전력밀도는 3.16 W/mm를 나타내었고, 이 때의 효율 PAE는 32%를 보였다. 두 소자의 전력 특성 결과를 [그림 5-2-2-7]과 [그림 5-2-2-8]에 나타내었다.
[그림 5-2-2-7] OHMPCMSD50um GaN HEMT Power 측정 결과
[그림 5-2-2-8] PCMSD50um GaN HEMT Power 측정 결과 5.2.3 X-대역 40W GaN IMFET 설계 및 측정
5.2.3.1 X-대역 40W GaN IMFET 설계
본 연구에서 사용되는 3E12-100 소자는 단위 소자가 병렬로 12개 결합된 구조이다. [그림 5-2-3-1]은 3E12-100 소자의 사진을 나타낸다. 사진에서 확인할 수 있듯이, 고출력 트랜지 스터 소자의 경우 높은 출력을 얻기 위해 낮은 출력의 단위 셀을 병렬로 결합한다. 따라서 출
력이 높아질수록 트랜지스터의 임피던스는 낮아지게 되며, 외부의 임피던스 정합회로의 마이 크로스트립 라인의 폭은 넓어지게 된다. 이 때, 마이크로스트립 라인의 폭이 넓어짐에 따라 마 이크로스트립 라인 전체의 전류 및 전압 분포가 균일하지 않은 문제점이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 균일한 전압 및 전류 분포를 갖는 정합 회로를 이용하여 전력 증폭기를 설계하였 다. [그림 5-2-3-1] 3E12-100 소자 사진 본 연구에서는 bare-chip을 사용하기 때문에 소자와 정합 회로를 연결하기 위해 wire-bonding이 필요하다. 이러한 wire-bonding은 회로 시뮬레이션 코드인 ADS를 이용하여 모델링할 경우 정확한 모델링이 불가능 하다. 따라서 3차원 전자기장 시뮬레이션 코드인 Ansoft 사의 High Frequency Structure Simulator (HFSS)를 이용하여 3E12-100 소자의 패드 와 wire-bonding을 포함한 입출력 정합 회로를 설계하였다. 정합 회로는 패키지 안에 실장하 기 위해 DC 전원 공급을 위한 라인을 제외하고 스터브와 같은 정합회로는 따로 삽입하지 않 았다. [그림 5-2-3-2]는 HFSS를 이용하여 설계한 입력 정합 회로를 나타내며, [그림 5-2-3-3]은 출력 정합 회로를 나타낸다.
[그림 5-2-3-2] 입력 정합 회로 시뮬레이션 결과
[그림 5-2-3-3] 출력 정합 회로 시뮬레이션 결과
5.2.3.2 X-대역 40W GaN IMFET 제작 및 측정 분석
본 연구의 최종 목표는 입출력 정합 회로를 포함한 전력 증폭기를 패키징하여 모듈화하는 것이 최종 목표이다. 모듈화하기 이전에 설계 된 전력 증폭기를 제작하여 검증할 필요가 있다.
따라서 입출력 정합 회로를 각각 제작하였다. 입출력 정합 회로는 CER-10 기판을 이용하여 제작하였다. [그림 5-2-3-1]은 CER-10 기판으로 제작하기 위한 캐드 도면을 나타낸다. 또한 조정용 패드를 회로 주변에 위치시켜 wire-bonding을 이용해 입출력 임피던스의 미세 조정이 가능하도록 제작하였다. 이는 제작 오차에 따른 임피던스 특성 변화를 미세 조정이 가능하기 때문에 납땜이 어려운 기판으로 제작 된 전력 증폭기의 특성 개선하기에 적합하다. [그림 5-2-3-1] 입출력 정합 회로 캐드 도면
- Eutectic Die Bonding
Eutectic die bonding공정에 AuSn solder를 사용하는데 AuSn의 높은 용융점을 고려하여 아래 의 [그림 5-2-3-2]와 같이 온도를 min 0도에서 max 320도로 유지, 상승을 시킬 수 있는 고 출력GaN chip의 AuSn solder eutectic die bonding을 수행할 조건을 설정해야 한다 [그림 5-2-3-2]를 보게 되면 A구간은 AuSn solder를 CPC package에 loading하는 구간이다. A구 간에서 AuSn solder loading이 완료되면 A~B 구간에서 온도가 상승하는 동안 AuSn solder를 CPC package에 marking되어있는 chip loading부에 align 시킨다. AuSn solder의 align이 완 료되면 그 위에 GaN chip을 loading과 동시에 align을 진행한다. Chip align마저 완료되면 C 의 구간에서부터 서서히 die bonder에 장착 되어있는 2-side type die collet을 work holder 바닥면에 밀착시켜 heating시킨다. Collet을 heating 시키는 이유는 AuSn의 융용점이 점점 가 까워지면서 collet으로 chip을 bonding할 때 collet의 낮은 온도가 막 융해가 시작되고 있는 AuSn solder의 융점을 낮추어버려 AuSn solder가 순간적으로 굳어지는 현상이 발생되는데 이 를 방지 하기 위해 collet을 heating시킨다.
D구간은 고출력GaN chip bonding을 collet으로 직접 공정하는 구간인데 현 구간에서는 온도 를 유지시켜 줘야 된다. 온도를 유지시키는 것은 융점이 갑작스럽게 변하여 AuSn이 굳어지는 것을 방지하기 위함인데 융점을 오랜 기간 유지하게 되면 산화가 발생할 위험이 있기 때문에 공정시간은 최소 20초 이내로 완료한다. GaN chip bonding 공정이 완료 되면 고출력GaN chip과 접착되어 있는 package을 unloading 한다.
제품을 unloading 한 후 재작업을 위해 Work Holder의 온도를 N2Gun을 사용하여 급격하게 온도를 떨어뜨린다. 따라서 A-B-C-D의 온도 구간을 거쳐 1회의 bonding 공정이 수행되는 것이다. 그래프를 보면 1회 고출력GaN chip bonding 공정을 수행하는데 약 65~80초 정도의 시간이 필요하게 된다. 65초의 1회 bonding 시간은 고정되어 있는 것이 아니며 위에서 언급 한 바와 같이 A-B-C-D-E의 모든 구간에서 시간, 온도를 최적의
조건으로 조절할 수 있도록 한다. [그림 5-2-3-3]에 eutectic die bonding 공정한 사진을 나 타내었다.
[그림 5-2-3-2] AuSn Eutectic Die Bonding controller 온도 cycle
(a) GaN전력소자 (b) Eutectic bonding 공정 [그림 5-2-3-3] Eutectic bonding 공정 사진
- 1mil wedge wire bonding 공정
1mil Wedge wire bonding 공정의 목표는 Wedge wire bonder를 이용하여 GaN Chip과 입력 /출력 단자를 1mil gold wire를 사용하여 상호 연결시켜주는 wire bonding 기술이다. 패키지 에 Wedge wire bonding을 하기 위해서는 1mil Gold wire와 Wedge wire bonding용 1mil tool을 사용한다. 여기서 사용하는 1mil Gold wire 순도는 99.99% 이다. Wedge wire
bonding시 주의사항은 tail length가 길게 bonding되면 wire로 인한 short가 발생하므로 주의 해야 한다. [그림 5-2-3-4]에 wedge wire bonding 공정한 사진을 나타내었다.
[그림 5-2-3-4] Wire Bonding 공정 사진 제작 된 전력 증폭기를 측정하기 위해서는 측정 장비들이 필요하다. 측정 장비로는 전력 증폭 기에 RF 전력을 인가하기 위한 신호 발생기, 전력 증폭기의 게이트와 드레인에 DC 전원을 인 가하기 위한 전원 공급 장치, RF 전력과 드레인에 공급되는 전압을 펄스로 인가하기 위한 펄 스 발생 장치와 펄스 스위치, 드레인에 인가되는 펄스 전류를 측정하기 위한 Pearson 코일과 오실로스코프, 출력 전력을 측정하기 위한 감쇄기와 펄스 파워 미터가 있다. 드레인 전압은 20 us의 펄스폭, 10 Hz의 PRF로 인가하였다. RF 입력 신호는 10 us의 펄스 폭, 10 Hz의 PRF로 RF 신호를 사용하였다. 드레인 전류는 1 A가 되도록 게이드 전압을 조정 하였고, 드레인 전압은 30 V를 인가하였다. 측정결과 9 ~ 9.5 GHz 대역폭에서 41 W 이상의 출력을 확인하였고, 선형이득 8 dB 이상 그리고 35 %의 PAE 특성을 보였다. [그림 5-2-3-5] 제작된 증폭기 모듈
0 10 20 30 40 50 10 15 20 25 30 35 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 Output_power (dBm) Gain (dB) DE (%) O u tp u t_ p o w e r (d B m ) / G a in ( d B ) D E (% ) Input_power (dBm) [그림 5-2-3-6] 측정 결과 그래프 5.2.4 결론
ETRI에서 개발된 40W GaN-on-SiC HEMT 소자와 개발된 소자를 이용하여 GaN IMFET 을 설계 제작한 결과에 대해서 기술하였다. 제작된 소자와 패키지 모듈은 0.25 ㎛의 게이트길 이를 갖고 총게이트폭은 12 mm이며, 펄스폭 100 μs에 10 %의 duty cycle의 펄스 조건에서 측정결과 41 W의 출력전력 특성과 8dB 이상의 선형이득 그리고 35 %의 전력부가효율(PAE) 특성을 보였다. 제작된 GaN-on-SiC HEMT 소자와 GaN IMFET은 X-대역 레이더 시스템 등 다양한 응용분야에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
