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문제 정의
- 본 논문에서는 ETRI에서 개발된 0.25 μm GaN HEMT를 사용하여 X-대역에서 내부 정합된 전력 증폭기를 설계하고 제작한 결과를 제공한다.
- 그림 6. 사전 정합 회로가 연결된 GaN HEMT의 제작 사진과 소스 및 부하 임피던스 추출을 위한 회로도. (a) 사전 정합 회로가 연결된 트랜지스터, (b) 사전 정합 회로를 디임베딩하기 위한 회로도
제안 방법
- 소스와 드레인 전극을 이루는 저항성 금속으로 Ti/Al/Ni/Au가 사용되었 으며, 증착 두께는 300Å/1,000Å/300Å/1,000Å으로 총 2,600Å이 되게 하였다. 능동소자의 활성층(active layer)을 정의함과 동시에 소자를 전기적으로 절연시키기 위해 Phosphorus 이온주입 공정을 사용하였으며, 활성층을 보호하기 위해 500Å의 SiNx 박막을 증착하였다. 게이트 금속은 Ti/Au를 사용하였으며, T-게이트 구조를 형성함으로써 게이트의 저항을 줄였다.
- 신호발생기를 통해 인가되는 신호의 주기는 100 μs의 펄스 주기와 10 %의 듀티를 가지도록 설정하였으며, 신호발생기의 출력은 X-대역 구동증폭기를 통해 제작된 회로에 인가되었다. 드레인과 게이트 바이어스 전압은 별도로 제작된 바이어스 티를 사용하여 인가되었으며, 드레인 전압은 트랜지스터의 항복전압이 허용하는 범위에서 50 W의 목표 출력이 확보될 수 있도록 37 V까지 상승한 상태에서 측정되었다. 전력부가효율을 계산하기 위해 펄스 모드 전류 측정이 가능한 Agilent사의 N2893A 프로브와 MSO7104A Mixed Signal Oscilloscope를 사용하였다.
- 더 큰 출력 전력의 부하 임피던스 정보를 얻기 위해 튜너를 조정할 경우, 튜너의 자체 손실이 증가하여 충분한 전력이 GaN HEMT에 인가되지 못해 실제 출력 전력이 감소하거나, 소자가 불안정한 모습을 보여 상세한 임피던스 추출에는 한계점을 보였다. 따라서 최대 출력 조건의 최적 소스 및 부하 임피던스는 측정된 임피던스 점들로부터 튜너 시스템의 출력 등고선도(contour map)를 사용하여 최대 출력점을 추정하는 방식으로 추출되었다.
- 본 논문에 사용된 80×150 μm GaN 트랜지스터는 새롭게 설계된 트랜지스터의 시작품인 관계로 선형 및 비선형 모델이 제공되지 않아, 소자의 성능을 증폭기 제작을 통하여 간접적으로 검증하는 방식을 취하였다. 따라서 회로의 성능은 로드풀 측정에서 예측된 소신호 이득과 대신호 출력 전력을 기준으로 하여 추정되었다. 정합 회로 제작에는 사전 정합 회로 제작에 사용된 기판과 동일한 Roger사의 6010LM 기판을 사용하였으며, 캐리어는 방열을 위해 CuW 재질을 사용하여 9×8 mm2의 크기로 제작되었다.
- 25 μm GaN HEMT 공정을 사용하여 ETRI에서 개발된 80×150 μm의 트랜지스터를 사용하여 X-대역에서 동작하는 50 W급 내부 정합 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. 로드풀 측정으로부터 최적 부하 임피던스를 실험적으로 추출하였고, 사전 정합 회로를 사용하여 소자의 소신호 및 대신호 성능을 예측하였다. 제작된 전력 증폭기는 9.
- 본 논문에 사용된 80×150 μm GaN 트랜지스터는 새롭게 설계된 트랜지스터의 시작품인 관계로 선형 및 비선형 모델이 제공되지 않아, 소자의 성능을 증폭기 제작을 통하여 간접적으로 검증하는 방식을 취하였다.
- 본 논문에서 사용한 0.25 μm GaN HEMT는 80×150 μm 로 총 게이트 길이가 12 mm이며, 소자의 비선형 모델이 현재 구축되어 있지 않아 최적의 출력 임피던스를 얻기 위해 로드풀 측정을 수행하여야 한다.
- 본 논문에서는 0.25 μm GaN HEMT 공정을 사용하여 ETRI에서 개발된 80×150 μm의 트랜지스터를 사용하여 X-대역에서 동작하는 50 W급 내부 정합 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다.
- 사전 정합 회로의 설계는 10 Ω의 특성 임피던스를 가지는 마이크로스트립 선로 형태의 임피던스 변환기를 사용하여 이루어졌으며, 그림 4에 나타낸 바와 같이 튜너의 임피던스 범위를 더 높은 VSWR을 가지는 임피던스 구간으로 변화시켰다.
- 25 μm GaN HEMT를 사용하여 X-대역에서 내부 정합된 전력 증폭기를 설계하고 제작한 결과를 제공한다. 증폭기의 설계를 위해 사전 정합 회로를 통한 로드풀 측정을 수행하였고, 최적 임피던스를 추출하였다. 임피던스 정합 회로는 후막 공정을 사용하여 설계 및 제작되었으며, 패키지에 실장 가능하도록 소형의 캐리어에서 조립되었다.
- 표 1에서 추출된 트랜지스터의 최적 입출력 임피던스를 기준으로 정합 회로를 설계하였다. 본 논문에 사용된 80×150 μm GaN 트랜지스터는 새롭게 설계된 트랜지스터의 시작품인 관계로 선형 및 비선형 모델이 제공되지 않아, 소자의 성능을 증폭기 제작을 통하여 간접적으로 검증하는 방식을 취하였다.
대상 데이터
- 능동소자의 활성층(active layer)을 정의함과 동시에 소자를 전기적으로 절연시키기 위해 Phosphorus 이온주입 공정을 사용하였으며, 활성층을 보호하기 위해 500Å의 SiNx 박막을 증착하였다. 게이트 금속은 Ti/Au를 사용하였으며, T-게이트 구조를 형성함으로써 게이트의 저항을 줄였다. T-게이트 구조의 단면 사진이 그림 2에 나타나 있다.
- 게이트 길이 0.25 μm인 소자를 제작하기 위해 SiC 기판에 저항성(ohmic) 전극을 형성하였다.
- 본 논문에 사용된 0.25 μm T-게이트 구조를 갖는 GaN HEMT 소자는 ETRI에서 제작되었으며, 제작 공정 순서를 소자 단면의 모식도를 사용하여 표현하면 그림 1과 같다[8].
- 드레인 측의 변환된 튜닝 임피던스 구간은 게이트 측에 비해 10도 정도 위상 천이되어 있으며, 이는 마이크로스트립 임피던스 변환기의 선로 길이 변화를 통해 구현되었다. 사전 정합 회로에 사용된 기판은 Roger사의 비유전율 10.2, 두께 10 mil의 duroid 6010LM을 사용하였으며, 기판의 Cu 선로에 두꺼운 Au 전해도금을 함으로써 트랜지스터 칩의 와이어본딩을 용이하게 하였다.
- 25 μm인 소자를 제작하기 위해 SiC 기판에 저항성(ohmic) 전극을 형성하였다. 소스와 드레인 전극을 이루는 저항성 금속으로 Ti/Al/Ni/Au가 사용되었 으며, 증착 두께는 300Å/1,000Å/300Å/1,000Å으로 총 2,600Å이 되게 하였다. 능동소자의 활성층(active layer)을 정의함과 동시에 소자를 전기적으로 절연시키기 위해 Phosphorus 이온주입 공정을 사용하였으며, 활성층을 보호하기 위해 500Å의 SiNx 박막을 증착하였다.
- 정합 회로 제작에는 사전 정합 회로 제작에 사용된 기판과 동일한 Roger사의 6010LM 기판을 사용하였으며, 캐리어는 방열을 위해 CuW 재질을 사용하여 9×8 mm2의 크기로 제작되었다.
- 제작이 완료된 웨이퍼는 100μm의 두께로 lapping된 후 레이저 다이싱(dicing)을 통해 분리되어 전력 증폭기 제작에 사용되었다.
데이터처리
- 표 2는 본 논문의 결과를 GaN HEMT를 사용하여 유사 주파수에서 구현된 기존의 전력 증폭기 결과와 비교하고 있다. 100 W 이하의 유사 출력을 가지는 전력 증폭기와 비교했을 때 전력부가효율이 우수한 특성을 보였으며, 후막 공정을 사용하여 제작되었음에도 불구하고, 전력밀도를 비교할 때 상대적으로 작은 크기로 구현되었음을 알 수 있다.
이론/모형
- 드레인과 게이트 바이어스 전압은 별도로 제작된 바이어스 티를 사용하여 인가되었으며, 드레인 전압은 트랜지스터의 항복전압이 허용하는 범위에서 50 W의 목표 출력이 확보될 수 있도록 37 V까지 상승한 상태에서 측정되었다. 전력부가효율을 계산하기 위해 펄스 모드 전류 측정이 가능한 Agilent사의 N2893A 프로브와 MSO7104A Mixed Signal Oscilloscope를 사용하였다.
성능/효과
- 표 2는 본 논문의 결과를 GaN HEMT를 사용하여 유사 주파수에서 구현된 기존의 전력 증폭기 결과와 비교하고 있다. 100 W 이하의 유사 출력을 가지는 전력 증폭기와 비교했을 때 전력부가효율이 우수한 특성을 보였으며, 후막 공정을 사용하여 제작되었음에도 불구하고, 전력밀도를 비교할 때 상대적으로 작은 크기로 구현되었음을 알 수 있다.
- 그림 8은 제작된 전력 증폭기의 S-파라미터 측정 결과를 보여주고 있다. 9～9.5 GHz 영역에서 8～9 dB의 소신호 이득이 측정되어 사전 정합 회로를 사용하여 측정된 추정 이득과 비슷한 값을 얻었으며, 입출력 반사손실은 9.0～9.4 GHz에서 10 dB 이상의 값을 보여 양호한 정합 특성을 얻을 수 있었다.
- 34 V, gm=312 mS/ mm의 값을 보였으며, 항복전압은 120 V 이상으로 확인되었다. 단위 전력소자의 RF 전력 특성은 로드풀 측정을 통해 확인되었으며, 9.3 GHz의 주파수에서 VDS=30 V, IDS=93 mA일 때 선형이득 19.2 dB, 포화 출력 전력 31.5 dBm (4.68 W/mm), 전력부가효율(Power-Added Efficiency: PAE) 49 %의 값을 얻었다.
- 8 dBm)까지 예상되었기 때문에 약 46 dBm의 출력 전력을 낼 수 있는 증폭기가 측정 셋엡에서 구동증폭기로 사용되었다. 연속파(Continuous Wave: CW) 신호를 인가하여 수행한 로드풀 측정 결과, 8 dB의 소신호 이득과 46 dBm의 출력 전력이 예상되는 대신호 소스및 부하 임피던스 점이 추출되었다. 더 큰 출력 전력의 부하 임피던스 정보를 얻기 위해 튜너를 조정할 경우, 튜너의 자체 손실이 증가하여 충분한 전력이 GaN HEMT에 인가되지 못해 실제 출력 전력이 감소하거나, 소자가 불안정한 모습을 보여 상세한 임피던스 추출에는 한계점을 보였다.
- 로드풀 측정으로부터 최적 부하 임피던스를 실험적으로 추출하였고, 사전 정합 회로를 사용하여 소자의 소신호 및 대신호 성능을 예측하였다. 제작된 전력 증폭기는 9.2 GHz에서 약 56 W의 출력 전력과 약 47 %의 전력부가효율 특성을 보였으며, 최근 발표된 유사 출력의 X-대역 전력 증폭기와 동등한 수준의 출력 성능을 보일 뿐만 아니라, 전력밀도 측면에서 좋은 결과를 보였다. 전력 증폭기 구현에 사용된 GaN HEMT 및 전력 증폭기는 높은 출력을 요구하는 X-대역의 레이더 시스템 및 다양한 응용 시스템에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
- 2 GHz에서 측정된 입력 전력에 따른 출력 전력, 전력이득 및 전력부가효율을 보여주고 있다. 출력 전력은 47.46 dBm(55.5 W)의 값을 보였으며, 이때의 전력 이득과 전력부가효율은 각각 약 8.8 dB와 46.6 %의 값을 보였다. 그림 9(b)는 9.
- 5 GHz의 주파수 영역에서의 포화 출력 전력과 전력부가효율을 보여주고 있다. 출력 전력은 47～47.46 dBm(50～55.7 W)의 값이 측정되었으며, 전력부가효율은 9.0～9.3 GHz에서 43 % 이상, 9.4～9.5 GHz에서는 36 % 이상의 효율이 측정되었다. 포화 출력 영역에서의 전력 이득은 7.
- 5 GHz 영역에서 측정된 출력 전력, 전력 이득 및 전력부가효율을 그림 9에 나타내었다. 측정 결과는 3.5 mm 커넥터 손실과 측정 지그와 제작된 증폭기와의 부정합 손실 등이 포함된 결과이므로, 실제 증폭기는 제시된 결과보다는 다소 양호할 것으로 예측된다. 그림 9(a)는 9.
후속연구
- 연속파(Continuous Wave: CW) 신호를 인가하여 수행한 로드풀 측정 결과, 8 dB의 소신호 이득과 46 dBm의 출력 전력이 예상되는 대신호 소스및 부하 임피던스 점이 추출되었다. 더 큰 출력 전력의 부하 임피던스 정보를 얻기 위해 튜너를 조정할 경우, 튜너의 자체 손실이 증가하여 충분한 전력이 GaN HEMT에 인가되지 못해 실제 출력 전력이 감소하거나, 소자가 불안정한 모습을 보여 상세한 임피던스 추출에는 한계점을 보였다. 따라서 최대 출력 조건의 최적 소스 및 부하 임피던스는 측정된 임피던스 점들로부터 튜너 시스템의 출력 등고선도(contour map)를 사용하여 최대 출력점을 추정하는 방식으로 추출되었다.
- 2 GHz에서 약 56 W의 출력 전력과 약 47 %의 전력부가효율 특성을 보였으며, 최근 발표된 유사 출력의 X-대역 전력 증폭기와 동등한 수준의 출력 성능을 보일 뿐만 아니라, 전력밀도 측면에서 좋은 결과를 보였다. 전력 증폭기 구현에 사용된 GaN HEMT 및 전력 증폭기는 높은 출력을 요구하는 X-대역의 레이더 시스템 및 다양한 응용 시스템에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
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