[논문]주기적 접지구조를 이용한 실리콘 RFIC용 초소형 수동소자의 개발

윤영; 김세호

doi:10.5916/jkosme.2009.33.4.562

주기적 접지구조를 이용한 실리콘 RFIC용 초소형 수동소자의 개발
A Development of Ultra-compact Passive Components Employing Periodic Ground Structure for Silicon RFIC 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.4, 2009년, pp.562 - 568

윤영 (한국해양대학교 전파공학과) , 김세호 (한국해양대학교 전파공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, using the periodic ground structure (PGS), highly miniaturized branch-line coupler and impedance transformer were realized on Si radio frequency integrated circuit (RFIC). The branch-line couple exhibited good RF performance from 41.75 to 50 GHz, and its size was $0.46{\times}0.55mm^2$, which is 37 % of conventional one. The impedance transformer exhibited good RF performance from 1 to 40GHz, and its size was $0.01mm^2$, which is 6.99 % of conventional one.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상기 문제점을 해결하기 위해서 실리콘 반도체 상에서 주기적으로 배치된 접지구조를 이용하여, 실리콘 RFIC용 소형 브랜치라인 결합기와 임피던스 변환기를 개발한다.
본 논문에서는 주기적 접지구조를 이용하여 실리콘 RFIC상에 집적가능한 초소형 수동소자를 개발하였다. 구체적으로는 실리콘 RFIC 반도체 기판상에 온칩 브랜치라인 결합기와 임피던스 변환기를 제작 평가하였다.
본 논문에서는 주기적 접지구조를 이용하여 실리콘 반도체 기판상에 소형의 임피던스 변환기를 제작하였다. 그림 5는 주기적 접지구조를 이용하여 실리콘 반도체기판상에 제작한 임피던스 변환기 사진을 보여준다.

제안 방법

본 논문에서는 주기적 접지구조를 이용하여 실리콘 RFIC상에 집적가능한 초소형 수동소자를 개발하였다. 구체적으로는 실리콘 RFIC 반도체 기판상에 온칩 브랜치라인 결합기와 임피던스 변환기를 제작 평가하였다. 브랜치라인 결합기의 면적은 종래의 약 37 %인 0.
본 논문에서는 주기적 접지구조를 이용하여 브랜치라인 결합기 (branch-line coupler)^[7]를 실리콘 RFIC상에 제작하였으며, 제작된 브랜치라인 결합기는 그림 4에 나타내었다. 온 웨이퍼 측정을 위해 GSG 패드가 접속되었으며, 실지 브랜치라인 결합기는 점선내부의 부분에 해당된다.
본 논문에서는 주기적 접지구조를 이용하여 소형의 수동소자를 제작하였다. 그림 1은 본 논문에서 제안하는 주기적 접지구조를 이용한 코프레너 선로구조 즉, PGS (Periodic Ground Structure) 선로구조이다.

대상 데이터

본 논문에서는 주기적 접지구조를 이용하여 소형의 수동소자를 제작하였다. 그림 1은 본 논문에서 제안하는 주기적 접지구조를 이용한 코프레너 선로구조 즉, PGS (Periodic Ground Structure) 선로구조이다. 그림에서 보는 바와 같이 선로와 실리콘 기판사이에 주기적 접지구조인 PGS를 삽입하였으며, PGS와 선로사이에는 유전체 박막이 존재한다.
본 논문에서는 Zc1 = 50 Ω, Zc2 = 28 Ω이며 중심주파수 21 GHz인 λ/4 임피던스 변환기를 제작하였으며 선로 폭과 길이는 각각 20, 500 μm이다.
제작된 브랜치라인 결합기의 포트 임피던스는 50 Ω이므로 각 선로의 특성 임피던스는 각각 50, 35 Ω이며, 선로 폭 W는 20μm로 고정되었다. 제작된 브랜치라인 결합기는 중심주파수가 46 GHz이며 U밴드에서 동작하도록 설계되었다. 제작된 브랜치라인 결합기의 사이즈는 0.
제작된 브랜치라인 결합기의 포트 임피던스는 50 Ω이므로 각 선로의 특성 임피던스는 각각 50, 35 Ω이며, 선로 폭 W는 20μm로 고정되었다.

성능/효과

브랜치라인 결합기의 면적은 종래의 약 37 %인 0.46x0.55 mm2이며, 41.75 ∼ 50 GHz의 범위에서 양호한 RF특성을 보여주었다.
그림 1의 PGS 구조에서 알 수 있는 바와 같이, T가 커질수록 선로와 PGS 구조와 선로사이에서 발생하는 정전용량 C_b가 증가하게 되며, 그 결과 식 (1)로부터 특성 임피던스 Z₀값은 줄어들게 됨을 알 수 있다. 상기 결과는 본 논문에서 제안하는 선로구조를 이용하면 단지 셀 두께 T 만 조절함으로써 선로의 특성 임피던스를 쉽게 조절할 수 있음을 보여준다. 즉, 선로 폭 W = 20 μm인 경우 단지 T를 0 ∼50 μm 범위에서 조절함으로써 특성 임피던스가 30 ∼ 70 Ω이 되도록 조절 가능하다.
5 dB이다. 실제로 테프론 기판상에 제작되는 off-chip 브랜치라인 결합기의 전력 분배값은 대략 -5 dB 정도이며^[15], 따라서 중심주파수 46 GHz에서 본 논문의 결합기는 0.7 dB정도 더 높은 손실특성을 보인다. 이는 실리콘 기판 자체의 낮은 절연성에 의한 높은 손실에 기인한다^[9]-[11].
전력분배 특성은 표에서 보는 바와 같이 중심주파수 46 GHz에서 S21과 S31의 값은 모두 -5.7 dB이며, 41.75 ∼50 GHz의 범위에서 양호하게 관찰되며, 구체적으로 S21은 -5.9 ± 0.5 dB, S31은 -5.5 ± 0.5 dB이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온웨이퍼 측정을 위해 사용한 것은?	온웨이퍼 측정을 위해서 GSG 패드를 사용했으며, 임피던스 변환기에 해당하는 부분은 파선으로 둘러싸인 영역이다. 그림에서 보는 바와 같이 특성 임피던스 Zc2에서 Zc1로의 변환을 위해서 사용되며, 임피던스 변환관계식[14]을 만족시키기 위해서는 아래의 식이 만족되어야 한다.
	실리콘 반도체 기판의 문제점은?	이제까지 화합물 반도체 분야에서는 수동소자의 소형화에 대한 연구개발 사례가 보고된 바가 있다[7], [8]. 그러나 실리콘 반도체 기판은 GaAs등의 화합물 반도체 기판에 비해 높은 도전성으로부터 기인하는 높은 손실을 가지므로, 현재까지 실리콘 수동소자에 대한 연구는 저손실 구조를 이용한 수동소자의 손실감소에 관한 연구에 집중되어 왔다[9]-[11]. 최근 고집적 RFIC 기반연구로써 접지와 연결된 주기구조[12]와 접지와 분리된 floating 주기구조[13]를 이용한 단파장 선로에 대한 연구가 보고 된 사례는 있으나, 현재까지 실리콘 RFIC 분야에 있어서 수동소자의 소형화에 대한 연구는 극히 미미한 실정이며, 이로 인해 수동소자를 모두 실리콘 RFIC에 집적한 진정한 의미의 SoC용 실리콘 반도체 단말기가 실현되지 못하고 있다.
	진정한 의미의 SoC용 실리콘 반도체 단말기가 실현되지 못하는 이유는?	최근 실리콘 반도체 공정기술의 발달에 의해 CMOS의 고주파 성능이 향상됨에 따라, 마이크로파 및 밀리미터파 영역에까지 CMOS의 응용이 가능하게 되었고[1]-[3], 이에 따라 고주파용 RFIC (radio frequency integrated circuit)와 베이스 밴드부의 chip set이 하나의 실리콘 기판상에 집적된 SoC (system on chip)용 단말기의 개발이 가능하게 되었다. 그러나 이러한 실리콘 반도체 기술의 발전에도 불구하고, 아직까지도 결합기 및 분배기, 필터등의 대부분의 RF 수동소자들은 큰 점유면적으로 인해 실리콘 IC 내부에 집적되지 못하고 있으며, 실리콘 IC 외부의 프린트 기판 상에 설계 및 제작되고 있는 실정이다[4]-[6]. 상기 문제점으로 인해 아직까지도 진정한 의미의 SoC용 실리콘 반도체 단말기가 실현되지 못하고 있으며, 이는 실리콘 IC 분야에서 조속히 해결되어야 할 필수적인 과제이다.

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