초고속 MMIC용 다층구조 InP/InGaAs PIN 스위치의 제작 및 특성 분석

Abstract

본 연구에서는 초고속 전자소자로서 유망한 InGaAs PIN diode를 이용한 switch MMIC를 제작하는 방법에 대해서 논의하였다. KAIST 자체 반도체 공정 기술을 이용하여 InP/InGaAs PIN diode와 MIM capacitors, thin-film resistor, thin-film microstrip line를 제작하고 측정하였다. 이러한 개별 소자를 바탕으로 3차원 multi-layer 기술을 이용하여 PIN switch를 설계하고 실제 공정 과정을 완성하고 제작하였다. 또한 multi-layer 공정 기술을 바탕으로 하여 90° hybrid coupler를 3차원 simulator, HFSS를 이용하여 설계하고 제작하였다. 구체적으로 살펴보면, InP/InGaAs PIN diode의 경우 여러 가지 요인을 고려하여 2-D Silvaco simulator를 이용하여 최적의 epi-structure를 구성하고 이를 제작하여 일반적인 HBT B-C junction으로 만든 InGaAs PIN diode와 비교하여 그 우수성을 확인하였다. 제작된 InGaAs PIN diode는 switching cutoff frequency가 5.23 THz, turn-on voltage는 0.39 V, breakdown voltage는 34 V로 측정되었다. 다음으로 RF MMIC 응용을 위해서 passive element library가 구축되었다. MIM capacitor의 경우 $SiN_x$ 를 3,000 $\AA$ deposition 하여 $162 pF/mm^2$ 의 단위 면적당 capacitance값을 얻었다. 다음으로 thin film resistor의 경우 NiCr을 300 $\AA$ evaporation하여 27.75 $Ω/\square$ 의 sheet resistance 값을 얻었다. Thin film microstrip line의 경우 3-D HFSS simulation을 통해서 그 특성을 먼저 파악하여 제작된 meandered thin-film microstrip line과 비교하였는데 비교적 잘 일치하는 결과를 얻었다. Thin film microstrip line의 경우 50 Ω matching을 위하여 6 μm의 BCB 높이와 15.5 μm의 signal line 폭을 선택하였다. 다음으로 3차원 MMIC 기술을 발전시키기 위하여 새로운 형태의 저 적 90° hybrid coupler를 제작하였다. 면적을 줄이기 위하여 기본적으로 meandered transmission line 형태를 취하였으며, 가운데 ground plane을 두 고 위아래로 thin film microstrip line과 inverted microstrip line을 두어 면적을 반으로 줄이는 형태를 사용하였다. 이를 통해서 BCB 기반의 3-D multi-layer 기술을 확보하고 제안된 구조의 실현을 통해 그 가능성을 파악할 수 있었다. 제작된 hybrid coupler는 insertion loss가 -4.2 dB/-4.9 dB로 측정되었으며, isolation은 -15.5 dB 이상이고 phase difference는 90 ± 3°로 나타났다. 그리고 면적은 $0.4 × 0.49 mm^2$ 로 일반적인 단평면 직선 라인 hybrid coupler에 비해서는 1/50로 감소하고 MIM capacitor를 이용한 hybrid coupler에 비해 30 % 가량 면적이 감소하였다. 마지막으로 이제까지 언급한 InP/InGaAs PIN diode, passive element library, 3-D MMIC 기술을 바탕으로 광대역 InGaAs SPST/SPDT MMIC PIN switch를 제작하였다. 제작된 switch는 isolation 특성을 좋게 하기 위해서 series-shunt-shunt 배치를 사용하였다. 측정 결과, SPDT switch의 경우 insertion loss는 -1.7 dB, isolation은 -41 dB, 면적은 $1.2 × 0.86 mm^2$ 으로 모든 devi