테라비트 광통신을 위한 전자소자 기술 동향
4ECHNOLOGY 4REND OF (IGH 3PEED %LECTRONIC $EVICES FOR 4ERABIT /PTICAL #OMMUNICATION
박성호3( 0ARK 화합물소자팀 책임연구원 이태우47 ,EE 화합물소자팀 선임연구원 박문평-0 0ARK 화합물소자팀 선임연구원
미래의 고도화 된 정보통신 서비스를 가능하도록 하기 위해 테라비트4BS 급 광전송시스템의 구축이 예 상되고 있으며 이를 달성하기 위한 핵심기술로서 초고속 전자소자의 설계 및 제작기술의 개발이 매우 중요한 현안이다본 논문에서는 차세대 테라비트 광전송시스템 구현에 필요한 i 'BS의 전송속도 를 갖는 초고속 전자소자의 국내외 연구동향을 분석하고 앞으로의 기술 추세를 예견하였으며 관련된 핵 심 반도체 소자기술을 설명하였다
)
서 론세계 각국은 다가오는 세기 정보통신 분 야의 무한경쟁에서 우위를 점하고 또한 자국 의 통신 수요자에게 사회 교육 문화적으로 보 다 양질의 서비스를 제공하기 위하여 산업체와 대학 및 정부가 힘을 합쳐 초고속 정보통신 기 술개발에 총력을 기울이고 있다 현재 국내외에 서 'BS를 종속 신호로 하고 이를 다중화한 파장분할다중7AVELENGTH $IVISION -ULTIPLEXING
7$- 방식의 수십 'BS 급 전송용량을 갖는 광전송시스템이 상용화 되어 있으며 일부 국가 에서 'BS의 최대 전송속도를 갖는 시분할다 중4IME $IVISION -ULTIPLEXING 4$- 방식 시스 템이 상용화 되어 있다 이제까지는 통신 서비스 가 음성통신을 위주로 진행되어 왔으나 최근 들 어 영상과 데이터를 포함한 멀티미디어 통신량이
급증하면서 수백 'BS 정도의 전송용량이 요구되 고 있으며 인터넷 가입자의 폭증 등 최근의 유통 정보의 확장추세를 감안할 때 년대 초반에 는 7$- 방식을 응용한 테라비트급 광전송시스 템이 요구될 것이 분명하므로 이의 상용화 여부가 통신 선진국으로 진입할 수 있는가를 가늠하는 주 요한 기술적 척도중의 하나라고 판단된다 이러한 테라비트급 전송시스템을 구현하기 위해서 현재 상용화가 진행중인 'BS 광통신시스템을 종단 장치로 사용할 경우 그림 ;=에서 보는 바와 같 이 테라비트 시스템의 구현을 위해 채널을 7$-해야 하며 이와 유사한 기술이 실험실 전시 수준에서 보고된 바 있지만 실질적인 현장 적용을 위해서는 내지 채널의 7$-에 의해 테라비 트급 전송이 가능한 보다 빠른 광 링크 예를 들어
i 'BS 정도의 종단 시스템이 개발되어야 할
것이다; =
그림 종속신호의 채널당 전송속도와 7$-채널 수와의 관계도
이제까지 구현된 최대의 광전송용량은
4BS이며 &UJITSU에서 'BS의 전송속도를 갖는 광소자와 전자소자를 채널로 7$-하여 개발한 바 있다;= 또한 .44에서는 최근 단위 채널로는 가장 빠른 'BS를 종속신호로 채널 7$- 방식에 의해 'BS 용량의 KM 전 송실험에 성공한 것으로 발표하였다; = 국내 의 경우 %42)에서 'BS 채널을 7$-하여
'BS 전송시스템을 개발 중에 있다 이러한 연구성과는 광섬유 증폭기%RBIUM $OPED &IBER
!MPLI`ER %$&! 와 광 다중화기-ULTIPLEXER
-58 및 역다중화기$EMULTIPLEXER $%-58 등의 광소자 기술발전에 힘입은 바 크지만 전자 소자는 광소자에 비해 소형 다기능 저가격 및 높은 신뢰성을 가지고 있어 앞으로 i년 후 완전한 전광통신망!LL /PTICAL .ETWORK !/. 이 완성되기 전까지는 수십 'BS 이상의 전송속도를 갖는 초고속 전자소자의 개발이 필수 불가결하
다;= 본 논문에서는 미래의 멀티미디어 정보통 신 서비스를 가능하게 할 테라비트 광전송시스템 구현에 필요한 i 'BS의 전송속도를 갖는 초 고속 전자소자의 국내외 연구동향을 분석하고 앞 으로의 기술 추세를 예견하였으며 관련된 핵심기 술을 설명하였다
))
초고속 광링크의 구성그림 에 초고속 반도체소자를 이용한 광통 신용 --)#의 최근 개발현황을 나타내었다;= 최 근까지 -58와 $-58 등의 디지털 회로는 대략
i 'BS 정도가 리미팅 증폭기와 같은 아날 로그 증폭회로는 대략 'BS 수준의 전송속도 가 구현되고 있다
전송 링크의 근간을 이루는 초고속 전자소자 로는 송신단의 다중화기 레이저 구동회로LASER DRIVER )# 혹은 외부변조기%XTERNAL -ODULA TOR %- 구동회로가 있으며 수신단의 전치 증폭기0REAMPLI`ER !'#!UTOMATIC 'AIN #ON TROLLED 증폭기 리미팅 증폭기,IMITING !MPLI
`ER 판별회로$ECISION #IRCUIT 클럭 추출 및 데 이터 재생회로#LOCK 2ECOVERY AND $ATA 2ECOV ERY #IRCUIT #$2 역다중화기 등이 있다 여러 개의 저속 병렬 신호는 다중화기에 의해 하나의 고속 데이터로 처리된 후 반도체 레이저 다이오 드,$ 를 통해 광신호로 변조되어 수신부에 전달 된다 광신호는 광 검지 소자0HOTO $IODE 0$ 에 의해 극히 미세한 전류 신호로 변환된 후 저잡음 전치증폭기0REAMPLI`ER 와 주 증폭기!'# !M PLI`ER 및 ,IMITING !MPLI`ER 에 의해 일정 출력의 전압 신호로 증폭된다 이 아날로그 신호는 클럭
채널당 전송속도(Gb/s) 256
128 64 32
100Gb/s 10 Gb/s
NEC ’97
AT&T ’96 Fujitsu ’96 NEC ’96
1 Gb/s
0.01 0.1 1 10 100 1000
16 8 4 2 1
WDM채널수
*자료: Lucent Technology
1Tb/s
테라비트 광통신을 위한 전자소자 기술 동향
그림 테라비트급 광통신용 초고속 전자소자의 개발 현황
재생회로와 판별회로를 거쳐 깨끗한 디지털 신호 로 처리된 후 역다중화기를 통해 저속의 병렬 데 이터로 변환된다
)))
초고속 전자소자 개발 현황이제까지 재료측면에서의 전자소자 응용을 살 펴보면 'A!S가 3I와 경쟁하였고 3I'E가 'A!S와 경쟁을 하였으며 또한 근래에는 )N0가 'A!S와 경쟁을 하는 추세이다 광 송수신 회로에의 응용 성과 소자의 성능 및 신뢰성에 따라 적합한 반 도체 소자를 결정하게 된다 본 장에서는 최근 까지 초고속 전자소자에 활발하게 응용되고 있 는 3I 바이폴라 트랜지스터 족 족의 화합물 반도체로 구성된 -%3&%4-ETAL 3EMICONDUCTOR
&IELD %_ECT 4RANSISTOR 나 (%-4(IGH %LECTRON -OBILITY 4RANSISTOR 와 같은 &%4 소자 그리고 ("4(ETEROJUNCTION "IPOLAR 4RANSISTOR 등 핵심
반도체 기술과 초고속 전자소자에의 응용현황을 정리하였다
3I 바이폴라 트랜지스터
일본 (ITACHI에서는 r }M의 에미 터 크기를 갖는 3I 바이폴라 소자로서 각각
'(Z와 '(Z의 차단주파수F4 와 최대공진 주파수FMAX 를 구현한 바 있다 3I "*4"IPOLAR
*UNCTION 4RANSISTOR 의 경우 다결정실리콘을 얕 은 에미터층 형성에 사용하고 자기정렬된 소 자 제작기술을 이용하여 주로 소형의 고속회로 개발을 목표로 독일의 2UHR 대학 일본의 .%#
및 .44 등에서 활발한 연구가 이루어지고 있 다 디지털 )#의 경우 2UHR 대학에서 3IEMENS와 의 공동연구를 통해 전송속도가 'BS인 판별 회로DECISION CIRCUIT 'BITS인 -58와
'BS인 $%-58 '(Z의 STATIC FREQUENCY DIVIDER 'BS인 8/2 회로 등을 발표하였다
MUX
Driver Fiber Link
PD Pre-Amp
Decision
Circuit DMUX Timing
Recovery Main Amp
32 GHz LMT. Amp. (HBT, 1994) 40 Gb/s PLL (HBT, 1995) 40 GHz LMT. Amp. (HEMT, 1997) 40 GHz (HBT, 1994)
32 GHz (HEMT, 1996) 10 GHz (ETRI-HBT, 1996)
32 GHz (HBT, 1994) 47 GHz (InP HEMT, 1996) 20 GHz LMT. Amp. (ETRI- HBT, 1998)
40 Gb/s (HBT, 1993) 50 Gb/s (Si BJT, 1996) 80 Gb/s (HEMT, 1997)
10 Gb/s (MESFET, 1993) 20 Gb/s (HBT, 1994) 20 Gb/s (ETRI-HBT, 1998)
40 Gb/s D-F/F (HBT, 1994) 40 Gb/s (HEMT, 1997) 40 Gb/s (MESFET, 1997)
40 Gb/s (HBT, 1992) 40 Gb/s (HEMT, 1996) 43 Gb/s (Si BJT, 1996)
LD(/Ext. Mod.)
H표 I초고속 소자를 위한 3I "*4기술
전자 소자 최대 속도연구 기관 성 능 실험실 수준
다중화기 'BS 25" (0 'BS
판별회로 'BS 25" 3IEMENS #0- b 'BS
역다중화기 'BS 25" 3IEMENS 'BS
3TATIC &REQUENCY $IVIDER 'BS 25" 3IEMENS /UTPUTSbb 'BS
레이저 구동회로 'BS 25" 3IEMENS 3WING r6$ 6 z 'BS
4RANSIMP :N z
전치 증폭기4RANSIMP형 'BS 25" !.4 3IEMENS &# '(Z 'BS .OISE J. P!(Z
!'# 증폭기 'BS 25" !.4 -OTOROLA 3 D" &# '(Z
$YNAMIC 2ANGE D"
리미팅 증폭기 'BS 25" !.4 3IEMENS 3 D" &# '(Z
$YNAMIC 2ANGE D"
자료 2EIN *33#
아날로그 )#로는 2EIN 등이 년 월 *33#에
'BS인 레이저 구동회로 'BS인 전치 증폭 기 'BS인 !'# 증폭기 'BS인 리미팅 증 폭기 등의 개발결과를 보고한 바 있다 H표 I에 3I "*4를 이용한 초고속 전자소자의 구현 사례를 정리하였다
&%4&IELD %_ECT 4RANSISTOR
근 십 여 년간 3I에 비해 전자 이동도가 훨씬 큰 주기율표상 족[족 화합물반도체 소자를 이 용한 고속 )# 개발이 최근 급격히 증가하고 있 는 추세이다 이중 제작 공정기술이 가장 성숙되 어 있는 것이 'A!S -%3&%4과 (%-4 기술이다
-%3&%4과 (%-4의 고속특성은 소자의 게이트 길이,G 를 줄임으로써 크게 개선될 수 있다
가 -%3&%4
-%3&%4은 그림 에서 보는 바와 같이 반 절연SEMI INSULATING 'A!S 기판위에 채널층을 형
그림 대표적인 'A!S -%3&%4의 단면 구조
성하고 그 위에 게이트 소스 및 드레인을 형성 하는 구조이며 3I 바이폴라 소자와 비교하여 높 은 전자 이동도 낮은 소자 구동전압 내방사성 큰 에너지 밴드 차이 등으로 인해 각종 통신 소자 에 활발히 응용되고 있다 'A!S -%3&%4를 이 용하여 일본의 4OSHIBA에서 대역폭이 '(Z인 -58를 개발한 것으로 보고하였고 .44에서는
'(Z와 '(Z의 F4와 FMAX를 갖는 }M 게 이트 -%3&%4 제작기술을 이용하여 전송속도가
'BS인 판별회로 대역폭이 '(Z인 FRE QUENCY DIVIDER 대역폭이 '(Z인 단 분산 증폭
S.I. GaAs Passivation Gate
Source Drain
Channel
LDD Implanted N+
테라비트 광통신을 위한 전자소자 기술 동향
기DISTRIBUTED AMPLI`ER 를 발표하였다 -44 3에서는 각 '(Z의 F4와 FMAX및 M3MM의 TRANSCONDUCTANCE를 갖는 }M 게이트 -%3
&%4을 가지고 'BS인 판별회로를 개발하였다 는 .44로부터의 보고가 있었다 또한 개별소자 수준에서는 자기정렬 기법과 선택적 이온주입 채 널을 갖는 }M 게이트 길이의 -%3&%4에 의해
'(Z의 F4를 달성한 바 있다;=
나 (%-4
이종접합 계면 특성을 이용하는 (%-4는 에 너지 갭이 큰 불순물이 도핑된 !L'A!S 층과 도 핑되지 않은 'A!S의 접합 계면에 전기음성도 차 에 따라 'A!S 쪽으로 ! 이내에 차원 전자b 개스층 $%' 이 생성되는데 !L'A!S의 도너와 분리되어 이온화 된 불순물로부터의 산란 현상 을 방지함으로써 전자 이동도를 높일 수 있어 결 과적으로 트랜스컨덕턴스가 향상된다 또한 출 력 컨덕턴스가 낮아 이득이 높으며 저잡음 특 성이 우수한 특징을 갖는다 (%-4의 기술은 기 존의 !L'A!S'A!S 구조에 비해 )N'A!S를 채널 층으로 하는 !L'A!S)N'A!S PSEUDOMORPHIC 구 조0(%-4 나 )N!L!S)N'A!S 구조를 위주로 발 전하고 있는 추세이다;= (%-4의 성능을 개 선하기 위해서는 에피구조 이외에도 게이트 길이 의 축소 및 게이트 전극의 표면적을 넓힐 수 있 는 4 GATE 형성기술이 매우 중요하다 그림 에
%42)에서 $3-$OSE 3PLIT -ETHOD 방법을 사용 하여 개발된 게이트 길이가 }M인 WIDE HEAD 4 GATE의 단면사진을 나타내었다;=
)N0를 (%-4에 적용할 경우 )N!L!S)N'A!S
그림 7IDE HEAD 4 GATE를 갖는 0(%-4소자
이종 계면에서 큰 전도대 불연속값r%#
E6 을 나타내 높은 농도의 $%'TWO DIMENSIONAL ELECTRON GAS 형성이 가능하고 또한 전기적 채널 에서 매우 높은 최고 전자속도 및 이동도를 얻 을 수 있기 때문에 이상적인 전자재료라고 판 단된다 .%#의 .AKAYAMA 등은 )N0 (%-4를 이용하여 기존 'A!S 0(%-4의 두 배에 이르 는 CM6SEC의 높은 전자 이동도를 구현 하였고 (UGHES의 .GUYEN 등은 F4가 '(Z인 (%-4를 제작하였으며 2OCKHEED -ARTIN에서는 FMAX가 '(Z인 (%-4 제작결과를 발표하였 다 )N0 (%-4가 지닌 이러한 고성능과 저잡음 특성을 이용하여 다양한 전자 회로가 개발되었 다 427에서는 7 BANDi '(Z 동작에 적 합한 }M 게이트 길이 )N0 (%-4 제작기술 을 이용하여 소자의 고속 특성으로서 F4와 FMAX가
'(Z와 '(Z이고 TRANSCONDUCTANCE가
M3MM인 값을 달성하였고 '(Z의 동작 주파수에서 D"의 이득을 갖는 저잡음 증 폭기,.! 를 개발하였다 .44의 %NOKI 등은
L
gLh
Lg
F4와 FMAX가 '(Z와 '(Z이고 TRANSCON DUCTANCE가 M3MM인 (%-4를 이용하여
'(Z의 3#&, STATIC FREQUENCY DIVIDER를 개발 하였다 또한 역시 .44의 /TSUJI 등이;= 유사한 특성의 }M 게이트 )N0 (%-4를 사용하여 전 송속도가 'BS인 -58 'BS인 $%
-58 주파수 대역폭이 $# '(Z인 전치 증폭 기 $# '(Z인 BASEBAND 증폭기 $# '(Z인 SIGNAL DISTRIBUTOR $# '(Z인 FREQUENCY DI VIDER i '(Z인 리미팅 증폭기를 개발하였 으며 이러한 전자소자로써 광링크를 구성하여
'BS의 전송속도로 KM의 4$- 전송실험 에 성공한 결과를 년 'A!S )# 3YMPOSIUM에서 발표하였다H표 I 참조 (%-4 소자에 있어 고 성능 특성구현에 가장 큰 기술적 KNOW HOW는 % BEAM 리소그라피 기술을 이용한 }M 수준의 4형 게이트의 형성과 균일한 문턱전압THRESHOLD VOLTAGE 의 제어에 있다
("4
이종접합 에피기판을 이용하는 (%-4와 더 불어 ("4(ETEROJUNCTION "IPOLAR 4RANSISTOR 가 초고속 반도체 소자로서 가장 각광을 받고 있 다 ("4는 높은 값의 F4와 FMAX뿐만 아니라 높은 TRANSCONDUCTANCE 낮은 F NOISE 높은 파괴전압 대전류 구동능력 TURN ON 전압의 작은 편차 리소 그라피 공정기술에의 적은 의존성 등 많은 장점을 갖고 있다 특히 높은 고주파 및 고속 특성과 함께 균일한 동작 전압으로 인해 ("4 소자는 광통신 용 전자소자로서 매우 유망하다 H표 I에 대표적 인 족 족 ("4를 비교하였다
H표 I )N0 (%-4,G }M 를 이용한 전자소자 개발 현황
전자 소자 주요 성능 소모 전력 연구 기관
다중화기 i 'BS
7
6P P 역다중화기 i 'BS
7
6P P 전치 증폭기 $# '(Z D"
7
6P P
"ASEBAND $# '(Z D"
7 .44
증폭기 6P P i
신호 분배기 $# '(Z
7 p D" 6P P
판별회로 i 'BS
7
6P P
주파수 $IVIDER i '(Z 7 리미팅 증폭기 i '(Z D"
M7
D"M
가 !L'A!S'A!S ("4
현재까지는 !L'A!S'A!S ("4에 대해 가 장 많은 연구가 진행되었으며 또한 고속 응용 회로에 대한 다양한 연구결과가 발표되어 왔다
4OSHIBA의 +URIYAMA 등은;= '(Z와 '(Z의 F4와 FMAX를 갖는 !L'A!S'A!S ("4를 기본 소자 로 하여 '(Z 대역의 $ARLINGTON FEEDBACK 증폭 기와 '(Z 대역의 전치 증폭기를 '(Z와
'(Z의 F4와 FMAX를 갖는 ("4를 이용해서 는 '(Z 대역의 $ TYPE aIP aOP을 개발하였고 3UGIYAMA 등은 'BS의 -58를 발표하였 다 미국에서 !L'A!S'A!S ("4에 대한 연구를 가장 활발히 하고 있는 2OCKWELL에서는 F4 FMAX
'(Z '(Z인 ("4를 이용해 'BS의
-58 F4 FMAX '(Z '(Z인 ("4를 이 용해 '(Z 대역의 전치 증폭기 F4FMAX
테라비트 광통신을 위한 전자소자 기술 동향
H표 I 족 족 ("4소자의 특성 비교
!L'A!S'A!S ("4 'A)N0'A!S )N0 ("4
큰 전도대 갭높은 오프셋 전압 우수한 !L'A!S'A!S격자 정합 에피층 두께 도핑 농도 등 초박막
성장기술 성숙 제작공정 기술 확립 i 'BS 가능
큰 전자가대 차이낮은 오프셋 전 압
'A!S에 대한 'A)N0의 선택적 식각 가능
내산화성
$8 CENTER 부재고신뢰성 온도에 따른 일정 이득 i 'BS 가능
높은 전자이동도고속고주파 특 성
낮은 표면 재결합 전류 광소자와 공정 호환성 높은 -44&고신뢰성 에피 성장기술 보완 필요 'BS 이상 가능
'(Z '(Z인 ("4를 이용해 'BS의 0,, 회로와 '(Z 대역의 !'# 증폭기를 개발하였 다 .44에서는 F4가 '(Z 이상이고 FMAX가
'(Z 이상인 !L'A!S'A!S , "#4BALLISTIC COLLECTOR TRANSISTOR WITH A LAUNCHER 를 사용하 여 'BS의 전송속도로 동작하는 -58
'BS의 SELECTOR )# '(Z 대역의 DYNAMIC FREQUENCY DIVIDER '(Z 대역의 리미팅 증폭기 그리고 '(Z 대역의 전치 증폭기를 개발하였으 며 기타 F4FMAX '(Z '(Z인 ("4를 이용 해 'BS의 8/2./2 및 판별회로와 '(Z 대역의 4 &&을 개발하였다;= 한편 에 미터는 !L'A!S로 하고 베이스는 재성장 방법에 의해 고농도의 P )N'A!S로 한 에미터의 폭과 길이가 }M와 }M이고 F4와 FMAX가 각각
'(Z와 '(Z인 !L'A!S)N'A!S ("4를 사 용하여 '(Z 대역폭을 갖는 전치 증폭기를 개 발하고 'BS 전송에 성공한 것으로 .%#에서 발표한 바 있다;=
국내에서는 년i년 동안 (!." )3$.
출연으로 수행한 ' 광전송시스템 개발사업을 통해 %42)가 유일하게 광전송용 전자소자 개발 에 참여하였으며 그림 에서 보는 바와 같은
!L'A!S'A!S ("4를 이용하여 'BS의 레이 저 구동회로 리미팅 증폭기 및 전치 증폭기를 패 키지 모듈형태로 개발에 성공한 바 있다; =
그림 대표적인 ("4의 단면 구조
이제까지 !L'A!S'A!S ("4를 이용하여 개 발된 대표적인 전자소자 연구결과를 H표 I에 요 약하였다
나 )N0 ("4
)N0 및 동일 계열 화합물 특히 )N'A!S는 'A!S와 비교할 때 몇 가지 중요한 물성상의 우 위를 가지고 있다 즉 유효 전자질량이 'A!S의 절 반 정도이기 때문에 전자이동도가 정도 빠르
emitter cap emitter
EM BM
collector
base
subcollector
buffer semi-insulating substrate CM
Passivation Sin
H표 I !L'A!S'A!S ("4를 이용한 전자소자 개발현황
전자 소자 연구기관연도 전자소자 특성 개별소자 특성
다중화기 2OCKWELL 다중화기 'BS F4 FMAX '(Z
역다중화기 4OSHIBA 다중화기 'BS 0D M7 F4 FMAX '(Z
레이저 4OSHIBA 'BS
구동회로 &UJITSU 'BS TR TF PS F4 FMAX '(Z 외부변조기
.44 'BS 60p0 "6#"/ 6 F4 FMAX '(Z 구동회로
전치 증폭기 4OSHIBA i '(Z 대역폭 D"z F4 FMAX '(Z
2OCKWELL i '(Z 대역폭 D"z F4 FMAX '(Z
!'# 증폭기 2OCKWELL i '(Z 대역폭 F4 FMAX '(Z
클럭 재생회로 2OCKWELL 0,, 'BS F4 FMAX '(Z
.44 ,IMITING '(Z rx f b F4 FMAX '(Z
3ELECTOR .44 'BS F4 FMAX '(Z
판별회로 .%# 'BS F4 FMAX '(Z
.44 'BS F4 FMAX '(Z
$ && 4OSHIBA i '(Z 대역폭 F4 FMAX '(Z
.%# 'BS F4 FMAX '(Z
며 아울러 열전도도 역시 가량 우수한 장점 을 가진다 )N0)N'A!S 혹은 )N!L!S)N'A!S를 에 미터 베이스 구조로 사용할 때 )N0 ("4는 'A!S ("4에 비해 고속 특성뿐만 아니라 )N'A!S
E6 가 'A!S E6 보다 밴드갭이 작기 때문에 결과적으로 TURN ON 전압이 수백 M6 정도 작으 며 이것은 낮은 전압 동작을 가능케 하는 중요 한 요소이다 이외에도 'A!S에 비해 양호한 열전 도도와 높은 파괴전압을 가지고 있어 다양한 회 로 분야에 응용되고 있으며 특히 적은 전력소모 를 요구하는 회로에 응용 전망이 밝다 뿐만 아니 라 광소자와의 호환성 있는 에피구조로 인해 광 전회로/%)# 에도 많은 연구가 진행중이다;=
3INGLE ("43("4 를 이용하여 "ELLCORE의 3ONG 등은 '(Z의 F4를 #HAU 등은 '(Z의 FMAX를
년과 년 )%$-에서 각각 발표한 바 있다 최
근에는 -44 3 학회에서 미국 5#3" 대학의
" !GARWAI 등이 각각 }M와 }M의 에미터 및 컬렉터 폭을 갖는 )N'A!S)N'A!S ("4를 사용 하여 '(Z의 F4와 '(Z의 FMAX를 달성하였 다고 발표하였다;= 이러한 정도의 높은 고주파 특성은 내지 'BS의 전송속도를 갖는 광통 신 )#의 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다 한편 3("4의 낮은 파괴전압을 개선하 기 위해 )N0 컬렉터를 채용한 $("4를 이용하여
'(Z의 F4와 '(Z의 FMAX가 각각 발표된 바 있으며 .44의 9AMAHATA 등은 )N0)N'A!S)N0 DOUBLE ("4$("4 구조를 이용하여 '(Z의 F4와 FMAX를 동시에 구현하였다;= 그리고 )N0 ("4의 초고속 광통신용 전자회로에의 응용을 살 펴보면 (UGHES에서 '(Z의 STATIC FREQUENCY DIVIDER를 개발한 적이 있으며 3WEDEN의 4 3WAHN
테라비트 광통신을 위한 전자소자 기술 동향
등이 '(Z 이상의 대역폭을 갖는 광대역 증폭기 와 'BS 수준의 -58와 $%-58의 연 구결과를 발표하였고 .44에서 }Mr }M의 에미터 크기를 갖는 $("4와 0). PHTODIODE를 동 일 칩내에 집적화 한 PHOTORECEIVER를 '(Z의 주 파수대역과 D"의 TRANSIMPEDANCE의 특성으로 개발한 바 있다 그리고 427에서 }Mr }M의 에미터 크기를 갖는 )N!L!S)N'A!S ("4를 기 본 소자로 하여 i '(Z까지의 주파수 대역에 서 동작하는 DISTRIBUTED AMPLI`ER를 실현하였으 며 }Mr }M의 에미터 크기의 ("4를 이용해 서는 '(Z까지의 주파수 대역을 갖는 전치 증 폭기를 개발하였다 !44 427 및 (UGHES 2E SEARCH ,AB에서는 )N0 ("4를 이용한 i '(Z까 지의 주파수 범위에서 동작하는 6#/를 개발 중 에 있다 고성능 )N0 ("4를 구현하는데 가장 큰 걸림돌은 인치 직경 이상의 고품위 에피기 판 성장기술을 개발하는 것이다 이러한 수준의 에피기판은 상용 제품을 통해 구매가 어렵기 때 문에 #"%#HEMICAL "EAM %PITAXY 와 같은 초박 막 증착장비를 자체 실험실에 확보하고 다양한 BANDGAP ENGINEERING 실험을 통해 최적의 ("4 소 자구조 LIBRARY를 구축하여야 한다
다 기타 ("4
'A)N0'A!S의 이종접합을 이용한 ("4 소자 는 고유의 특성으로서 신호 전달이 빠르고 큰 전류를 구동할 수 있으며 파괴전압이 크고 소 자 구동전압이 균일하여 집적회로의 제작에 유 리한 점 외에도 !L'A!S'A!S ("4와 비교하여 작은 옵셋전압 에미터층의 내산화성 에미터층의
경사구조가 필요없어 에피설계의 단순함 온도변 화에 대한 전류이득의 작은 변화 그리고 에미터 층과 베이스 층간의 선택적 식각이 가능하여 공 정의 편의성이 도모되는 등 장점이 많아 초고속 통신망 구현을 위한 기본 소자로서 다양하게 응 용될 전망이다 .44에서는 에미터의 폭과 길이 가 }M와 }M이고 F4와 FMAX가 각각 '(Z와
'(Z인 'A)N0'A!S ("4를 사용하여 출력이
6인 'BS의 광변조기 구동회로를 개발하였 고;= &UJITSU에서는 유사한 특성의 'A)N0'A!S ("4를 이용하여 광수신기의 전치 증폭기 SLICE 증 폭기 판별회로 및 EXCLUSIVE /2 전자소자를 개발 한 바 있다;= 현재 이와 관련된 상용 에피 웨이 퍼는 미국의 +OPIN사에서 양산화를 진행중이며 응용제품은 영국의 '%#사가 활발한 개발 움직임 을 보이고 있다
그림 대표적인 3I'E ("4의 단면 구조
한편 3I의 성숙된 공정기술과 ("4의 장점 을 결합하고자 3I'E를 베이스 층으로 사용하는 3I3I'E ("4를 이용한 고속 )#의 개발이 $AIMLER
As+-implanted poly-Si TiSi2
n+
N+B/L p+ + p+SiGe
i n– i
p- substrate p+ poly-Si
그림 초고속 전자소자 기술의 발전 동향
"ENZ )"- .%# 및 %42) 등에서 진행되어 왔 다그림 이와 관련하여 $AIMLER "ENZ에서는 3I'E 기본 소자에 대해 '(Z와 '(Z의 F4와 FMAX를 달성한 바 있고 .%#에서는 '(Z의 주 파수 대역폭을 갖는 전치 증폭기와 전송속도가
'BS인 판별회로를 발표하였다
향후 기술 동향 및 과제
개별소자의 주파수에 따른 광통신용 --)#의 동작속도 범위를 그림 에 나타내었다;= 여 기서 개별소자 주파수로서 전계효과 트랜지스 터&%4 의 경우는 차단주파수CUTO_ FREQUENCY F4 로 표현되고 바이폴라 소자의 경우는 차단주 파수와 최대공진주파수MAXIMUM OSCILLATION FRE QUENCY FMAX 의 조합 즉 F4rFMAX F4 FMAX 로 표 현된다
% 3ANO 등이 초고속 디지털 회로와 광대역 증 폭기에 미치는 소자특성의 주요 변수특히 F4와
그림 $ &&의 동작속도에 요구되는 F4와 FMAX
FMAX 를 분석한 결과를 그림 과 그림 에 나 타냈다;= 그림 은 ("4 $ &&에 대해 그 리고 그림 는 ("4 광대역증폭기에 대해 목표 전송속도 및 주파수 대역폭을 달성하는데 요구되 는 F4 FMAX관계를 계산식을 근거로 구성한 것이다
'BS 정도의 전송속도를 갖는 $ &&나 '(Z
1 10 100
0.1 1 10 100
개별소자 주파수(GHz) 10G
2.5G 0.5M
40G InP HEMT
InP HBT GaAs HBT SiGe HBT
500 20G
100G
Si-BJT(0.1 μm)
전자소자동작주파수(Gb/s)
GaAs MESFET(0.15 μ m)
GaAs MESFET(0.5 μm)
Si-BJT(2 μm) Si-BJT(0.5 μm)
500 100
50 50 100 500
120 Gbit/s 80 Gbit/s
40 Gbit/s
20 Gbit/s
fT (GHz) fmax (GHz)
테라비트 광통신을 위한 전자소자 기술 동향
그림 광대역증폭기의 동작속도에 요구되는 F4와 FMAX
수준의 대역폭을 갖는 광대역증폭기 구현을 위해 서는 통상 F4가 '(Z일 때 FMAX는 '(Z 이상 이 되어야 하며 F4가 '(Z 정도일 때는 FMAX가
'(Z 이상이 되어야 하는 것으로 나타났다
또한 'BS 이상의 전송속도를 갖는 광전송 용 )# 제작을 위해서는 통상 F4가 '(Z 이상 이고 FMAX는 '(Z 이상이 되어야 하는 것으로 나타났다 이제까지 살펴본 바와 같이 3I 바이폴 라 소자는 F4와 FMAX가 '(Z를 넘기 어렵기 때 문에 대략 i 'BS 안팎의 전송속도 달성이 가능한 것으로 보이며 현재의 기술로 대략 F4와 FMAX가 '(Z 정도인 3I'E ("4와 'A!S -%3
&%4의 경우는 i 'BS의 )# 제작이 가능할 것으로 예측된다 또한 F4가 i '(Z 정도이 고 FMAX가 i '(Z인 !L'A!S'A!S나 혹은 )N'A0'A!S ("4의 경우는 대략 i 'BS 수 준의 전자회로 개발이 가능할 것으로 믿어진다
한편 )N0를 기반으로 한 ("4 소자는 현재의 기 술발전 추세로 미루어 F4와 FMAX 모두 '(Z 이 상 달성이 확실하므로 에피성장과 관련된 양산성
만 확보된다면 i 'BS의 광통신용 전자소자 로서 가장 각광받게 될 것이다
이들 초고속 및 광대역 특성을 갖는 전자소자 의 개발을 위해서는 새로운 개념의 회로설계 및 소자제작뿐만 아니라 패키지 기술의 연구가 병행 되어야만 한다 예를 들어 광대역증폭기의 대역폭 을 늘이기 위한 다단 궤환MULTIPLE FEEDBACK 회로 기술 추출된 클럭의 타이밍 지터TIMING JITTER 를 줄이기 위한 협대역 타이밍 회로기술 -58 및
$-58에서 PHASE MARGIN을 확장하기 위한 다단 의 $ && 회로 설계기술 등이 요구되고 초고속 소자로서는 공통적으로 자기정렬 제작기술이 필 수적이며 &%4의 경우 초미세 게이트 형성기술이 바이폴라 소자의 경우 에피 성장기술 등이 매우 중 요시 되며 다층기판을 이용한 고품위 패키지 제 작기술 등의 개발이 현안으로서 부각되고 있다
)6
결 언향후 초고속 인터넷 등 급격히 증가하게 될 멀 티미디어 통신에 요구되는 4$- 방식 'BS 시 스템이나 7$- 방식의 테라비트급 시스템의 개 발능력 확보를 위해서도 수십 'BS급 전자소자 칩 셋의 개발은 필수적이며 매우 시급하다 이제까지 광통신용 전자소자 기술은 초고속 초광대역 초 장거리로 전송할 수 있는 기술을 확보하려는 방향 으로 발전하여 왔다 년대 중반까지 주로 'A!S -%3&%4을 핵심소자로 이용하여 'BS 전자소 자 개발이 이루어졌으며 년대 후반부터의 연구 추세로 미루어 차단주파수F4 '(Z 이상이 가 능하고 최대공진주파수FMAX '(Z 이상이 가 능한 'A!S ("4나 혹은 )N0 ("4를 위주로 대략
500 100
50 50 100 500
120 GHz 80 GHz
40 GHz
20 GHz
fT (GHz) fmax (GHz)
i 'BITS 수준의 전자회로 개발이 가능할 것 으로 판단된다
참 고 문 헌
;= # &AN AND *0 +UNZ </PTICAL &IBER 4ELECOMMUNICA TIONS EDITED BY ) $ +AMINOW AND 4 , +OCH !CA DEMIC 0RESS 6OL )))" #H 4ERRESTRIAL !MPLI`ED ,IGHT WAVE 3YSTEM $ESIGN
;= ( /NAKA ET AL <4BS 7$- 4RANSMISSION OVER A
KM }M :ERO $ISPERSION 3INGLE -ODE &IBER IN 4ECHNICAL $IGEST OF /&# 0$0p
;= !( 'NAUCK ET AL </NE 4ERABITS 4RANSMISSION %XPERI MENT IN 4ECHNICAL $IGEST OF /&# 0$0p
;= 2 /HHIRA ET AL <! (IGH 3ENSITIVITY 'BITS /PTICAL 2E CEIVER USING 0ACKAGED 'A!S ("4 )#S /&# 4ECHNICAL
$IGEST 7 PP p
;= 9 9ANO ET AL < 4ERABITS 7$- 4RANSMISSION %XPER IMENT 5SING /PTICAL $UOBINARY #ODING IN 4ECHNICAL $I GEST OF /&# 4H"
;= 4 /TSUJI ET AL < 'BITS )#S FOR &UTURE ,IGHTWAVE #OM MUNICATIONS 3YSTEMS 'A!S )# 3YMP PP p
;= - 9ONEYAMA ET AL <! 'BITS /PTICAL 2EPEATER #IR CUITS 5SING )N'A!S)N!L!S (%-4 $IGITAL )# #HIP 3ET )%%% -44 3 7%$ PP p
;= % 3ANO ET AL <,IGHTWAVE #OMMUNICATION )CS FOR
'BITS AND "EYOND /&# 4ECH $IG 4U)
;= 9 9AMANE ET AL < }M 'A!S -%3&%4S &ABRICATED 5S ING )ON )MPLANTATION AND 0HOTOLITHOGRAPHY )%%% 'A!S )# 3YMP PP p
;= 변상기 외 <광대역 이동통신 2ADIO ,INK 및 --)# 기술 전망 전자공학회지 제권 호 PP p
;= * ( ,EE ET AL <0SEUDOMORPHIC !L'A!S)N'A!S'A!S (IGH %LECTRON -OBILITY 4RANSISTORS WITH 3UPER ,OW .OISE 0ERFORMANCES OF D" AT '(Z %42) *OURNAL 6OL
.O PP p
;= 9 +URIYAMA ET AL <! '(Z $ 4YPE &LIP &LOP 5SING !L 'A!S'A!S ("4 'A!S )# 3YMP PP p
;= ( )CHINO ET AL </VER 'BS )#S FOR &UTURE ,IGHTWAVE
#OMMUNICATIONS * ,IGHTWAVE 4ECHNOL 6OL .O
PP p
;= 9 3UZUKI ET AL <!N ("4 0REAMPLI`ER FOR 'BS /P TICAL 4RANSMISSION 3YSTEMS )%%% 'A!S )# 3YMP
PP p
;= 3UNG (O 0ARK ET AL <! 'BITS ,IMITING !MPLI`ER 5S ING !L'A!S'A!S ("4S * %LECTRICAL %NGINEERING AND )NFORMATION 3CIENCE 6OL .O PP p
;= 박성호 외 <$# '(Z의 광대역 레이저 구동회로 제작 및 특성 전자공학회논문지 제권 $편 호 PP
p
;= 9 -ATSUOKA AND % 3ANO <)N0)N'A!S $OUBLE (ETE ROSTRUCTURE "IPOLAR 4RANSISTORS FOR (IGH 3PEED )#S AND /%)#S 3OLID 3TATE %LECTRONICS 6OL .O
PP p
;= " !GARWAL ET AL <! '(Z FMAX4RANSFERRED 3UBSTRATE (ETEROJUNCTION "IPOLAR 4RANSISTOR )%%% -44 3 4H%
PP p
;= 3 9AMAHATA ET AL </VER '(Z F4 AND FMAX
)N0)N'A!S $OUBLE (ETEROJUNCTION "IPOLAR 4RANSIS TORS WITH A .EW (EXAGONAL 3HAPED %MITTER 'A!S )#
3YMP PP p
;= 9 9AMAUCHI ET AL < 'BS -ONOLITHIC /PTICAL -OD ULATOR $RIVER WITH (IGH /UTPUT 6OLTAGE OF 6 5SING )N'A0'A!S ("4S )%%% 'A!S )# 3YMP PP
p
;= 4 )HARA ET AL <)N'A0'A!S ("4 )# #HIPSET FOR
'BS /PTICAL 2ECEIVER )%%% 'A!S )# 3YMP PP
p
;= + (OHKAWA ET AL <)NTEGRATED #IRCUITS FOR 5LTRA (IGH 3PEED /PTICAL &IBER 4RANSMISSION 3YSTEMS )%)#% 4RANS
%LECTRON 6OL % # .O PP p
;= % 3ANO ET AL <$EVICE &IGURE OF -ERITS FOR (IGH 3PEED
$IGITAL )#S AND "ASE "AND !MPLI`ERS )%)#% 4RANS
%LECTRON 6OL % # .O
