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국제테크노정보연구소

▒ 세계 최고성능 110 GHz의 초광대역 아날로그 증폭기

일본 (주)후지쯔연구소  

(주)후지쯔연구소는 세계 최고 성능인 대역폭 110GHz의 초광대역 아날로그 증폭기를, 고성능 인디움 알루미늄 비소/인디움 갈륨 비소/인디움린(InAlAs/InGaAs/InP) HEMT와 반전형 마이크로스트립 선로(IMSL: Inverted Micro Strip Line)를 이용하여 개발했다.
반전형 마이크로스트립 선로를 이용함으로써 칩 면적은 약 1/2로 되고, 또 실장도 큰폭으로 쉬워지기 때문에 제조 코스트를 낮추는 효과도확인할 수 있었다.

이번에 개발한 아날로그 증폭기

이번 개발한 기술은 80Gbit/sec 이상이 되는 차세대 통신 시스템용으로 개발한 것으로, 초고속 대용량 데이터 광통신 시스템이나 밀리미터파 UWB(Ultra Wide Band:초광대역) 통신시스템에서의 이용을 기대할 수 있다.
또한, 본기술은 2002 GaAs IC Symposium (http://www.gaasic.org/)에서 우수 논문상(Best Paper Award)을 수상한 바 있다.

■ 개발 배경

현재, 테라비트급의 초고속 대용량 데이터 광통신시스템에 맞추어 WDM(Wavelength Division Multiple:파장분할 다중)기술이나 40 기가비트/초를 넘는 시분할 다중기술의 개발이 진행되고 있다. 또 무선통신 분야에서도 데이터 전송 레이트를 높이기 위해 보다 높은 주파수를 이용한 통신시스템 개발, 예를 들어 밀리미터파 UWB 통신시스템의 연구개발이 진행되고 있다.
이러한 용도에서는 디지털 신호의 직접 증폭이 요구되고 있어, 낮은 주파수부터 매우 높은 주파수까지, 넓은 대역에 걸쳐 일정하게 동작하는 광대역 아날로그 증폭기가 필요하다.

[그림 1] CPW형 구조: 평면적인 구조이므로 전송로의 양측에 있는 복수의 접지도체를 에어 브리지에 의해 접속하고 있다.

■ 과제

종래의 고주파용 광대역 아날로그 증폭기로서는 CPW(Coplanar Waveguide:코플레너 도파로) 형태의 분포형 증폭기가 이용되어 왔다. 그러나 CPW형에서는 평면적인 구조를 이용하고 있기 때문에, 전송로의 양측에 있는 접지도체를 연결하는 구조(에어 브리지)가 필요하다(그림 1). 이 에어 브리지가 고주파에 대해서는 저항으로서 작용하기 때문에 배선손실이 생겨 차세대의 통신시스템에서 필요한 80GHz 이상의 넓은 대역에서 일정한 증폭특성을 가질 수가 없다. 또 평면적인 구조내에 복수의 접지도체를 취하지 않으면 안되므로 칩 사이즈를 작게 하는 데는 한계가 있었다.
한편, 고주파 디바이스에서는 칩을 실장기판에 직접 실장하는 플립 칩 MMIC로 하는 것이 유효하다. 그러나, CPW형에서는 실장기판과 칩 사이의 거리에 의해 용량이 변화하는 등의 근접효과가 나타나, 고확도의 조정이 필요함과 동시에 특성의 평가를 실장후가 아니면 할 수 없다고 하는 제조상의 과제가 있었다.

개발한 기술

이번에 개발한 세계 최고 성능의 110 GHz 초광대역 아날로그 증폭기에서는 다음의 기술을 사용하고 있다.

  • 고성능 HEMT 기술
    고전자 이동도의 InAlAs/InGaAs/InP 헤테로 구조상에 게이트 길이 0.13 마이크로미터의 고성능 트랜지스터 InAlAs/InGaAs/InP HEMT를 제작하는 기술을 이용하여 110 GHz 이상까지 대응할 수 있는 증폭기를 실현하고 있다. 이용한 InAlAs/InGaAs/InP HEMT의 성능을 나타내는 차단주파수는 160 GHz이며, 80 GHz 이상에서의 증폭이 가능하도록 되어 있다.
  • 반전형 마이크로스트립 선로기술
    InP계의 분포형 증폭기로서는 처음으로, 반전형 마이크로 스트립 선로(IMSL) 구조를 이용했습니다(그림 2 ). 이 구조에서는 칩 표면 전체가 접지 도체가 되기 때문에, CPW형에서 문제가 되고 있던 에어 브릿지에 의한 배선 손실이 없고, 저주파로부터 80 기가 헤르쯔 이상의 고주파까지, 손실의 작은 극히 플랫인 특성을 얻는 기술이 되고 있다. (그림 3 ).
     

[그림 2] 반전형 마이크로스트립 배선(IMSL) 구조:
칩 표면 전체가 접지도체로 되어 있다.

[그림 3] 전송손실의 비교: CPW형에서는 80GHz 이상으로 큰 배선손실이 있지만, IMSL 구조에서는 평탄하고, 아주 미소한 손실밖에 생기지 않는다.

이상의 기술을 이용함으로써, 분포형 증폭기로서는 세계 최고 성능인 110 GHz라고 하는 초광대역 아날로그 증폭기를 실현할 수가 있었다(그림 4 ). 110 GHz는 측정기의 동작 한계이며, 설계상에서는 125 GHz까지 증폭이 가능하다는 결과를 얻고 있다.
또 반전형 마이크로스트립 선로를 이용함으로써 제조 코스트를 낮출 수 있어서, 유효한 다음의 효과도 확인할 수 있었다.

[그림 4] 개발한 분포형 증폭기의 특성: 낮은 주파수부터 측정기의 측정한계인 110GHz까지 아주 평탄한 이득(7.5dB)가 얻어졌다.

  • 전송선로의 디자인에 있어서, 접지 전극의 크기를 고려할 필요가 없어져, 칩 크기를 CWP형의 약1/2로 하는 것이 가능해졌다.
  • 반전형 마이크로스트립 선로에서는 회로가 접지도체로 차폐되기 때문에, 플립 칩 MMIC 실장시의 실장기판과 칩 사이의 기생용량의 제어가 필요없어졌다(그림 5). 그 결과, 플립 칩 MMIC 실장시의 높이 조정이 불필요하여 실장 공정을 간략화할 수 있게 되었다.
  • 웨이퍼 상태에서의 측정값과 플립 칩 실장시 측정값의 차이가 거의 없어졌다(그림 6). 웨이퍼 상태에서의 고주파 시험이 가능해짐으로써 개발·제조에 있어서의 피드백이 쉬워져, 전체적으로 공정의 단축을 기대할 수 있다.

향후, 광대역 아날로그 증폭기로서의 특성 향상에 더욱 전념하여 차세대 통신시스템의 개발을 가속해 나갈 것이다.

[그림 5] 플립칩 실정시의 근접효과: CPW형에서는 높이에 아주 민감하게 되어 있는데 대해, IMSL 구조에서는 높이 의존성이 없다.
 

[그림 6] 개발한 분포형 증폭기의 특성을 웨이퍼 상태에서 측정한 경우와 플립칩 실장하고 측정한 것과 비교: 차가 적고 웨이퍼 상태에서의 평가가 가능해졌다.

 

【용어 설명】

▒ InAlAs/InGaAs/InP HEMT
HEMT(High Electron Mobility Transistor)는 밴드갭이 다른 반도체 재료와의 접합계면에 생기는 전자층이 통상의 반도체내에 비해 고속으로 동작하는 것을 이용한 전계 효과형 트랜지스터이다. 1980년에 후지쯔가 세계에서 선두 개발하여 현재, 위성방송용 수신기나 휴대전화기, GPS를 이용한 네비게이션 시스템, 광대역 무선 액세스 시스템 등, IT 사회를 지지하는 기반기술로서 널리 이용되고 있다. HEMT의 초기에는 AlGaAs와 GaAs가 반도체로 이용되고 있었다. 트랜지스터의 미세화가 진행됨에 따라, 보다 고성능을 실현하기 위해 후지쯔에서는 전자 속도보다 빠른 InGaAs와 한층 더 많은 전자 공급을 실현할 수 있는 InAlAs에 의한 헤테로(이종의 재료에 의한다) 접합을 이용했다.
 
▒ 마이크로스트립 선로
유전체 기판의 일면에 신호 도체배선과 접지도체가 설치된 배선 구조입니다. 신호 배선이 접지도체에 끼워진 구조로 되어 있어, 유전체의 일면만 사용해서 신호전송을 할 수 있기 때문에 회로의 특성평가나 다른 회로와의 접속이 용이하게 된다.
 
▒ UWB(Ultra Wide Band: 초광대역) 통신시스템
GHz급의 넓은 주파수 대역을 이용해 수백 Mbps 이상의 대용량/고속전송을 목표로 한 무선통신 시스템이다. 평균전력 레벨이 1mW 이하로 기존의 통신시스템과의 간섭이 적은 것이 특징이다.
 
▒ WDM(Wavelength Division Multiple: 파장분할 다중) 기술
반송파의 파장을 바꾸어, 하나의 광섬유에 복수의 광신호를 다중하는 방식. 파장이 다른 광 빔은 서로 간섭하지 않는다고 하는 성질을 이용하고 있기 때문에, 다중하는 빛의 수를 늘림으로써 광섬유상의 정보 전송량을 비약적으로 증대시킬 수 있다.
 
▒ CPW(Coplanar Waveguide: 코플레너 도파로)
유전체 기판의 일면에 신호 도체배선과 접지도체가 설치된 배선 구조이다. 신호배선이 접지도체에 끼워진 구조로 되어 있어, 유전체의 일면만 사용해서 신호전송을 할 수 있기 때문에, 회로의 특성평가나 다른 회로와의 접속이 용이하게 된다.
 
▒ 분포형 증폭기
복수의 트랜지스터가 어떤 일정한 간격으로 병렬로 접속된 구조로 되어 있다. 대역은 입력의 전송선로와 트랜지스터의 입력 용량에 의해 형성되는 필터로 결정되며 광대역화에 적합하다. 또, 분배된 입력신호 각각을, 대응하는 트랜지스터에서 증폭하여 출력으로 합성함으로써 고출력을 얻는다고 하는 특징도 겸비하고 있다.
 
▒ 플립 칩
칩의 회로면에 접속용 금속을 다수 나열하여 회로면을 아래로 향해 실장기판에 누르는 형태로 전기적으로 접속하는 실장기술이다.
 
▒ MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)
트랜지스터의 능동소자 뿐만 아니라, 저항, 캐패시터, 인덕터, 전송선로 등의 수동소자도 집적회로 기술을 이용하여 트랜지스터와 동일한 반도체 기판상에 만든 마이크로파, 밀리파에서 사용되는 집적회로이다.
 
▒ 차단주파수
트랜지스터의 전류이득에 관한 증폭 동작의 주파수 상한을 나타내고 있다. 통상은 주파수에 반비례하여 전류이득이 감소하고, 전류이득이 1(출력전류와 입력전류의 비가 1)로 되는 주파수의 값을 말하며, 차단주파수가 높은 소자가 더 높은 주파수에서 동작하는 것을 나타낸다.

 

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