차세대 GaN RF 전력증폭 소자 및 집적회로 기술 동향

Technical Trends in Next-Generation GaN RF Power Devices and Integrated Circuits

저자
이상흥RF/전력부품연구실
임종원RF/전력부품연구실
강동민RF/전력부품연구실
백용순광무선원천연구본부
권호
34권 5호 (통권 179)
논문구분
일반논문
페이지
71-80
발행일자
2019.10.01
DOI
10.22648/ETRI.2019.J.340507
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초록
Gallium nitride (GaN) can be used in high-voltage, high-power-density/-power, and high-speed devices owing to its characteristics of wide bandgap, high carrier concentration, and high electron mobility/saturation velocity. In this study, we investigate the technology trends for X-/Ku-band GaN RF power devices and MMIC power amplifiers, focusing on gate-length scaling, channel structure, and power density for GaN RF power devices and output power level and output power density for GaN MMIC power amplifiers. Additionally, we review the technology trends in gallium arsenide (GaAs) RF power devices and MMIC power amplifiers and analyze the technology trends in RF power devices and MMIC power amplifiers based on both GaAs and GaN. Furthermore, we discuss the current direction of national research by examining the national and international technology trends with respect to X-/Ku-band power devices and MMIC power amplifiers.
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Ⅰ. 서론

반도체 고출력 RF(Radio Frequency) 전력증폭기는 수명시간, 유지보수 및 광대역 주파수 구현, 디지털 신호처리 등의 장점이 있다[1]. 반도체 고출력 RF 전력증폭기는 크게 개별 반도체 RF 전력증폭 소자(Discrete RF Power Transistor)의 배열을 통한 전력 분배 및 결합, 반도체 기판상에서 전력증폭 능동소자와 수동소자를 동시에 사용한 모노리식 마이크로파 집적회로(MMIC: Monolithic Microwave Integrated Circuit), 소출력 또는 중간 정도 출력의 MMIC 배열을 통한 전력 분배 및 결합을 통하여 실현된다.

반도체 RF 전력증폭기에 사용되는 반도체 RF전력증폭 소자로 실리콘반도체 기반의 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) 소자, III-V 화합물반도체 기반의 갈륨비소(GaAs, Gallium-Arsenide)나 질화갈륨(GaN, Gallium-Nitride)을 사용한 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자가 주로 사용된다. GaN 반도체 재료는 3.4eV의 넓은 에너지 갭, 분극전하를 이용한 고 캐리어 농도, 고 전자 이동도와 포화 속도의 재료적 특성으로 인하여 고전압, 고 전력밀도, 고출력 및 고속의 GaN RF 전력증폭 소자로 이용될 수 있다[2-6].

GaN RF 전력증폭 소자는 L-대역, S-대역, X-대역, Ku-대역 및 Ka-대역의 민수 및 군수분야(대공방어, 항공기 및 무기탐색, 선박, 기상, 이동통신, 위성통신 및 방송)에서 반도체 RF 전력증폭기 소자로 많이 응용되고 있으며[4,7], 무선통신 등의 수요 확대로 민수분야의 응용이 증가하고 있다. 이 중 X-대역 GaN 전력증폭기는 고해상도 레이더(SAR: Synthetic Aperture Radar)용 송신기, 선박항해 레이더용 송신기 등, 군 무기체계나 민수용에 많이 응용되고 있으며, Ku-대역 GaN 전력증폭기는 유도무기 탐색기용 송신기, 항공기 레이더용 송신기, 해상 레이더용 송신기, 위성통신용 지상송신기 등에 응용되고 있다[4,7]. 이들 X-대역 및 Ku-대역 반도체 RF 전력증폭기는 GaN RF 전력증폭 소자와 수동소자를 동시에 사용하여 MMIC 형태로 구현하려는 노력이 계속되고 있다.

현재 GaN 반도체 파운드리(Foundry)를 제공하고 있는 회사나 기관은 Wolfspeed사, Global Communication Semiconductors사, Northrop Grumman사, Qorvo사, OMMIC사, UMS사, WIN Semiconductors사, National Research Council Canada 등이 있으며, GaN-on-SiC 공정은 대체적으로 0.15~0.5μm 게이트 공정 기술을 제공하고, GaN-on-Si 공정은 0.25~0.5μm 게이트 공정 기술을 제공한다[8]. 특히 이들 GaN 반도체 파운드리를 이용하여 외국에서 GaN MMIC를 제작하는 경우 국가 차원에서 엄격히 통제/관리를 하고 있다.

한편, Yole[9]에 따르면, GaN RF 소자 시장은 무선 인프라(Wireless infrastructure), 군수(Defense), CATV(Cable Television, Community Antenna Television), 위성통신(Satellite communication), 기타(ISM, RF energy, R&D)로 분류하고 있으며, GaN RF 소자 전체 시장은 2016년 약 344억 달러, 2018년 약 421억 달러, 2020년 약 630억 달러로 예측하고 있다. GaN RF 소자의 민수분야와 군수분야 모두 고른 성장세를 예측하고 있으며, 이 중 2020년의 무선 인프라 시장과 군수 시장은 각각 약 375억 달러와 약 193억 달러로 무선 인프라 시장과 군수 시장은 각각 전체 시장의 약 60% 정도와 약 31% 정도를 점유할 것으로 예측하고 있다[9].

본 고에서는 X-대역과 Ku-대역 GaN RF 전력증폭 소자 및 MMIC 전력증폭기에 대한 국내외 기술 동향을 알아본다. X-대역과 Ku-대역 GaN RF 전력증폭 소자 및 MMIC 전력증폭기 기술을 고찰함에 있어, GaN RF 전력증폭 소자의 게이트 길이 스케일링, 채널형성 구조 및 전력밀도, GaN MMIC 전력증폭기의 출력 전력 및 전력밀도 성능을 중심으로 알아본다. GaAs RF 전력증폭 소자와 MMIC 전력증폭기 기술 동향을 동시에 고찰하여 관련 연구 및 산업동향의 관심도를 알아본다. 아울러, X-대역과 Ku-대역 GaN RF 전력증폭 소자 및 MMIC 전력증폭기의 해외 기술 동향을 통한 시사점을 다룬다.

Ⅱ. 차세대 GaN RF 전력증폭 소자 및 집적회로 기술

1. X-대역 GaN 전력증폭 소자 및 집적회로 기술

이 절에서는 X-대역 GaN 전력증폭 소자 및 집적회로 기술 동향에 대하여 살펴본다. X-대역 GaN 전력증폭 소자 및 집적회로 기술 동향을 고찰하기에 앞서, X-대역 GaAs 전력증폭 소자 및 집적회로 기술 동향에 대하여 알아본다.

표 1은 X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 기술을 나타내는 것으로써, 대표적인 GaAs MMIC 공정인 WIN Semiconductors사, RFMD사, TriQuint사, SELEX-SI 공정을 사용한 결과들이다(RFMD사와 TriQuint사는 RF분야 합병으로 (2015년 1월) 현재 Qorvo사로 있음)[10-14]. 표 1에서와 같이 X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기는 대체적으로 0.25~0.4μm GaAs pHEMT(pseudomorphic High Electron Mobility Transistor) 전력증폭 소자 기술을 이용하고 있으며, 이는 차단주파수가 60GHz 정도로 Ku-대역 용도로 개발된 소자 기술이다. WIN Semiconductors사의 0.25μm GaAs 전력증폭 소자의 경우[10] 게이트 폭 4×200μm GaAs pHEMT 전력증폭 소자(단위 게이트 폭 200μm×4개의 finger)는 0.86W/mm의 전력밀도를 나타내며, WIN Semiconductors사의 0.1μm GaAs 소자[11]의 경우 차단주파수(ft)와 최대발진주파수(fmax)는 각각 130GHz와 180GHz의 RF 성능을 나타낸다. X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 칩의 전력밀도는 소자 성능과 설계기법에 따라 차이가 있을 수 있으나 대체적으로 0.66W/mm2 이하이며 최대 10W 정도의 성능을 나타낸다. 표 1의 X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 칩의 전력밀도가 0.66W/mm2 이하로 낮은 것은 앞의 WIN Semiconductors사의 0.25μm GaAs 전력증폭 소자에서 보듯이[10] GaAs pHEMT 전력증폭 소자의 전력밀도가 0.86W/mm 정도로 낮은데 기인하며, 또한 이는 고출력 MMIC 전력증폭기로 사용되기 어려운 이유도 된다. 그럼에도 불구하고 GaAs pHEMT 전력증폭 소자 공정이 GaN HEMT 전력증폭 소자 공정에 비해 매우 높은 공정 성숙도와 저렴한 생산 단가로 인하여 X-대역 반도체 MMIC 전력증폭기 제작에 일부 사용되고 있다.

표 1 X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 기술

[10,11] [11] [12] [13] [14]
Process 0.25μm GaAs (WIN Semi) 0.1μm GaAs (WIN Semi) 0.3μm GaAs (RFMD) 0.25μm GaAs (TriQuint) 0.4μm GaAs (SELEX-SI)
Frequency(GHz) 8.25~10.25 9 7.5~11.5 9~10.5 9.0~12.0
Saturated output power(W) 10.7 0.55 0.52 6.31 6.31
PAE(%) 41.4 55.3 65* 38 38
Power density (W/mm2) 0.63 0.61 0.66 0.61 0.53
*

Drain Efficiency

표 2는 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술을 나타내는 것으로써, UMS(United Monolithic Semiconductors)사, WIN Semiconductors사, SELEX-SI, Alcatel-Thales III-V Lab, ETRI(Electronics and Tele-communications Research Institute) 공정 기술들이다[15,16,18,20,21,25]. 초창기 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술 구축기인 SELEX-SI의 0.5μm를 제외하곤, X-대역 GaN MMIC 전력증폭기 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자는 SiC(탄화규소, Silicon-Carbide) 기판상에 AlGaN/GaN 채널을 사용한 게이트 길이 0.25μm 공정 기술이 사용되고 있다. SELEX-SI의 0.5μm GaN HEMT 전력증폭 소자의 경우[15], GaN HEMT 전력증폭 소자 제작의 전면공정 완료 후, 후면 비어 홀(back-side viahole) 공정을 통하여 소자와 접지 및 MMIC와 접지의 거리를 최소화하였다. X-대역 GaN HEMT 전력증폭 소자 공정 기술의 주안점에 따라, 차단주파수 및 최대발진주파수, 전력부가효율(PAE)의 특성이 기관별로 차이가 있지만, 전력증폭 소자의 전력밀도는 대체적으로 4W/mm를 상회한다. 이는 X-대역 GaN HEMT 전력증폭 소자의 전력밀도가 GaAs HEMT 전력증폭 소자의 전력밀도보다 월등히 우수하며, 이는 GaN 반도체 재료와 GaAs 반도체 재료의 재료적 특성에 기인한다. GaN HEMT 전력증폭 소자의 우수한 전력밀도 특성으로 인하여, X-대역 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술 개발과 더불어 GaN MMIC 전력증폭기 기술도 상당한 수준에 이르렀다. SELEX-SI, Alcatel-Thales III-V Lab, UMS사, WIN Semiconductors사는 X-대역 MMIC 제작을 위한 고 전력밀도 및 고효율 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술을 확보하고 있음을 알 수 있다.

표 2 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술

SELEX-SI>[15] Alcatel-Thales III-V Lab>[16] UMS>[18] WIN Semi>[20,21] ETRI[25]
Substrate SiC SiC SiC SiC SiC
Channel AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN
Gate length(μm) 0.5 0.25 0.25 0.25 0.25
Total gate width(mm) 1.0(10x0.1) 1.6(16x0.1) 1.0(8x0.125) 1.0(8x0.125) 0.8(8x0.1)
ft/fmax(GHz) - 18/35 - 24.5/86.0 >50/>100
Power density(W/mm) 4 Vd=25V, Vg=-5.5V /f=10GHz 4 Vd=25V, Id=430mA /f=10GHz 3.9 Vd=26V, Id=242mA / f=9.6GHz >4 Vd=28V / f=10GHz >4 Vd=20V, Vg= -2V /f=9GHz
PAE(%) - 55 62 64 35

표 3은 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기 기술을 나타내는 것으로써, 각국의 X-대역 GaN MMIC 공정 기술(SELEX-SI, Alcatel-Thales III-V Lab, UMS사, WIN Semiconductors사, ETRI)을 이용한 결과들이다[16-25]. 표 3의 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기들은 3~50W 범위로 다양하며, 유럽의 Alcatel-Thales III-V Lab과 SELEX-SI는 KORRIGAN(Key Organisation for Research in Integrated Circuits in GaN Technology) 프로젝트를 통하여 X-대역 GaN HEMT 전력증폭 소자 및 MMIC 회로 기술을 조기에 구축하여 50W 전력증폭기 MMIC를 발표하였으며, Wolfspeed사[26]는 X-대역 35W의 GaN MMIC 전력증폭기를 상용화하였다. 표 1표 3으로부터 최대 10W 정도의 출력과 최대 0.66W/mm의 전력밀도의 X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기와는 달리 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기는 50W의 고출력과 0.78~3.62W/mm의 고 전력밀도를 나타내어 고집적 고출력 소형 전력증폭기 MMIC 구현이 가능함을 알 수 있으며, Alcatel-Thales III-V Lab, SELEX-SI, UMS사, WIN Semiconductors사, Qorvo사, Wolfspeed사에서 보듯 유럽과 북미의 X-대역 GaN MMIC 공정 기술과 설계 기술이 상당한 수준에 이르렀음을 알 수 있다. 뿐만 아니라, X-대역 GaN MMIC 전력증폭기의 경우 일부 결과를 제외하곤, 2W/mm2 이상을 나타내어 전력증폭기 설계를 최적화할 경우, 2W/mm2 이상의 전력밀도 및 50W 출력의 MMIC 전력증폭기를 구현하기에 어려움이 없을 것으로 사료된다.

표 3 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기 기술

[16] [17] [18] [19] [20]
Process 0.25pm GaN (Alcatel-Thales III-V Lab) 0.5μm GaN (SELEX-SI) 0.25μm GaN (UMS) 0.25μm GaN (UMS) 0.25μm GaN (WIN Semi)
Frequency(GHz) 8.5~10.5 8.0~10.5 8.8~10.4 8.8~10.8 8.5~10.5
Saturated output power(W) 43 50 14 40 17.78
PAE(%) 52 35 38 44 37.3
Power density(W/mm2) 2.39 3.13 0.78 1.92 1.95
[21] [22] [23] [24] [25]
Process 0.25μm GaN (WIN Semi) 0.25μm GaN 0.25μm GaN (Qorvo/TriQuint) 0.25μm GaN (ETRI) 0.25μm GaN (ETRI)
Frequency(GHz) 9.0~10.0 8~12 9~10 8~10 9.0
Saturated output power(W) 21.38 40 17.78 6.0 3.5
PAE(%) 50.7 44.7 >40 25 35
Power density(W/mm2) 2.71 3.62 1.35 1.35 3.31

한편, 국내 ETRI의 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술은 세계 기술과 비교하여 GaN HEMT 전력증폭 소자의 효율(PAE)이 낮으며, 이를 이용한 전력증폭기 MMIC의 출력은 최대 6W 정도로 낮아 전력증폭 소자의 검증 수준이다. X-대역 GaN MMIC 전력증폭 기술의 세계 기술 수준과 중요성을 고려할 때, X-대역 GaN MMIC 공정 기술에서의 전력증폭 소자 효율 개선 및 고출력 소자 구조 개발, 이를 이용한 고효율/고출력 GaN MMIC 전력증폭기 설계 기술 개발이 지속적으로 필요하다.

2. Ku-대역 GaN 전력증폭 소자 및 집적회로 기술

이 절에서는 Ku-대역 GaN 전력증폭 소자 및 집적회로 기술 동향에 대하여 살펴본다. Ku-대역 GaN 전력증폭 소자 및 집적회로 기술 동향을 고찰하기에 앞서, Ku-대역 GaAs 전력증폭 소자 및 집적회로 기술 동향에 대하여 알아본다.

표 4는 Ku-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 기술을 나내는 것으로써, GaAs MMIC 공정인 WINS emiconductors사, Transcom사, TriQuint사(Qorvo사)공정을 사용한 결과들이다[27-31]. 표 4에서와 같이 Ku-대역 GaAs MMIC 전력증폭기는 대체적으로 0.25~0.35μm GaAs pHEMT 전력증폭 소자 기술을 이용하고 있으며, 이는 차단주파수가 60GHz 정도이다. X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기와 마찬가지로, Ku-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 칩의 전력밀도는 소자 성능과 설계기법에 따라 차이가 있을 수 있으나, 대체적으로 0.79W/mm2 이하이며 최대 7W 정도의 전력 성능을 나타낸다. Ku-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 칩의 전력밀도가 0.79W/mm2 이하로 낮은 것은 GaAs pHEMT 전력증폭 소자의 전력밀도가 낮은데 기인하며, 또한 이는 고출력 MMIC 전력증폭기로 사용되기 어려운 이유도 된다. X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기와 마찬가지로, Ku-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 역시 GaAs pHEMT 전력증폭 소자 공정이 GaN HEMT 전력증폭 소자 공정에 비해 매우 높은 공정 성숙도와 저렴한 생산 단가로 인하여 Ku-대역 반도체 MMIC 전력증폭기 제작에 일부 사용되고 있다.

표 4 Ku-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 기술

[27] [28] [29] [30] [31]
Process 0.35μm GaAs (TriQuint) 0.35μm GaAs (Transcom) 0.15μm GaAs (WIN Semi) 0.25μm GaAs (TriQuint) 0.25μm GaAs
Frequency(GHz) 10.7~12.7 13.5~14.3 12~16 13~18 13~19
Saturated output power(W) 6.6 6.76 4.47 6.5 1.26
PAE(%) >35 24.6 29 - 35
Power density (W/mm2) 0.63 0.79 0.48 0.58 0.42

표 5는 Ku-대역 GaN MMIC 제작을 위한 상용 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술을 나내는 것으로써 UMS사, Wolfspeed사, BAE Systems사, Qorvo사의 GaN HEMT 전력증폭 소자 공정 기술들이다[32-34,39-41,44]. Ku-대역 GaN MMIC 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자는 SiC 기판상에 AlGaN/GaN 채널을 사용한 게이트 길이 0.25μm 공정 기술이 사용되고 있으며, 0.15μm GaN HEMT공정 기술로 스케일링되는 추세이다. Qorvo사 [34,44]의 경우 최근 게이트 길이 0.15μm GaN HEMT MMIC 공정 기술을 파운드리 서비스하고 있다. 이들 Ku-대역 GaN MMIC 제작을 위한 상용 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술[32-34,39-41,44]에서는 GaN MMIC 전력증폭 소자 제작의 전면공정 완료 후, 후면 비어 홀(back-side via hole)공정을 통하여 소자와 접지, MMIC와 접지의 거리를 최소화하였다. Ku-대역 0.25μm GaN HEMT 전력증폭 소자의 전력밀도는 4.5~6W/mm의 높은 값을 가지며, Qorvo사[34,44]의 게이트 길이 0.15μm GaN HEMT 전력증폭 소자의 전력밀도는 3W/mm 수준이다. 이와 같이 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭 소자의 전력밀도가 매우 우수한 것은 X-대역 GaN MMIC 전력증폭 소자의 전력밀도와 마찬가지로, GaN 반도체 재료적 특성에 기인한다. GaN HEMT 전력증폭 소자의 우수한 전력밀도 특성으로 인하여, Ku-대역 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술 개발과 더불어 GaN MMIC 전력증폭기 기술도 상당한 수준에 이르렀다. 상용 UMS사, Wolfspeed사, BAE Systems사, Qorvo사를 중심으로 Ku-대역 MMIC 제작을 위한 고 전력밀도 및 고효율 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술을 확보하고 있음을 알 수 있다.

표 5 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술

UMS[32,39] Wolfspeed[33,40] BAE Systems[41] Qorvo[34,44]
Substrate SiC SiC SiC SiC SiC
Channel AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN
Gate length(μm) 0.25 0.25 0.2 0.25 0.15
Total gate width(mm) 0.6(8x0.075) - 0.2(2x0.1) 0.4(4x0.1) 0.4(4x0.1)
ft/fmax(GHz) 25/>50 - 52/121 >35/>150 >65/>150
Power density (W/mm) 4.5 6 5.5 6 3
PAE(%) - - 51 60 50

표 6은 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기 기술을 나타내는 것으로써, 각국의 Ku-대역 GaN MMIC 공정 기술(Fraunhofer, Mitsubishi, UMS, Wolfspeed, BAE Systems, Northrop Grumman, Qorvo)을 이용한 결과들이다[35-44]. 표 6의 Ku-대역 GaN MMIC전력증폭기들은 2.5~35.5W 출력 범위로 다양하며, Wolfspeed사[40], Northrop Grumman 사[42], Qorvo사[44]는 각각 Ku-대역 25W, 16W, 35.5W의 GaN MMIC 전력증폭기를 상용화하였다. 표 4표 6으로부터, 최대 6.76W 정도의 출력과 최대 0.79W/mm2의 전력밀도의 Ku-대역 GaAs MMIC 전력증폭기와는 달리 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기는 35.5W의 고출력과 0.83~4.92W/mm2의 고 전력밀도를 나타내어 고집적 고출력 소형 전력증폭기 구현이 가능함을 알 수 있으며, Fraunhofer, Mitsubishi사, UMS사, Wolfspeed사, BAE Systems사, Northrop Grumman사, Qorvo사에서 보듯 일본, 유럽과 북미의 Ku-대역 GaN MMIC 공정 기술과 설계 기술이 상당한 수준에 이르렀음을 알 수 있다. 앞의 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기 전력밀도 범위를 언급함에 있어서 Fraunhofer[37]는 이중 게이트(dual-gate) GaN HEMT 구조를 사용한 출력 전력을 나타내고, UMS사[39]와 BAE Systems사[41]는 3dB 이득 압축에서의 출력 전력(output power at 3dB gain compression, P3dB)을 나타낸 것으로 인하여 제외하였다. 앞의 결과들로부터 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기 설계를 최적화할 경우, 1W/mm2 이상의 전력밀도 및 35W 이상 출력의 MMIC 전력증폭기를 구현하기에 어려움이 없을 것으로 사료된다.

표 6 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기 기술

[35] [36] [37] [38] [39]
Process 0.25μm GaN (Mitshubishi) 0.25μm GaN 0.25μm GaN (Fraunhofer) 0.25μm GaN (Fraunhofer) 0.25μm GaN (UMS)
Frequency(GHz) 6~18 13.5~14.5 14~18 12 18
Saturated output power(W) 20 17.5 2.5 25 10*
PAE(%) 15 >36.4 - 22 20
Power density(W/mm2) 1.04 1.52 0.41 1.0 0.51
[40] [41] [42] [43] [44]
Process 0.25μm GaN (Wolfspeed) 0.2μm GaN (BAE Systems) 0.2μm GaN (Northrop Grumman) 0.15μm GaN (Qorvo) 0.15μm GaN (Qorvo)
Frequency(GHz) 13.75~14.5 12~16 13.5~15.5 12 13.0~15.5
Saturated output power(W) 25 16.2* 16 15 35.5
PAE(%) 22 24.1 43 >37 >32
Power density(W/mm2) - 0.43 4.92 0.83 1.07
*

Output power at 3dB gain compression (P3dB)

한편, 국내의 경우 외국 상용 Ku-대역 GaN MMIC 파운드리를 이용하여 전력증폭기를 설계해 본 기관이 다수 존재하여 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기 설계 기술력을 상당한 수준으로 보유하고 있으며, ETRI의 경우 0.25μm 게이트 길이 GaN HEMT 소자 기술로 Ku-대역(16GHz에서) 17W 개별 GaN HEMT 전력증폭 소자(Discrete 17W GaN HEMT device)를 개발하였다[4].

Ⅲ. 결론

본 고에서는 X-대역과 Ku-대역 GaN RF 전력증폭 소자 및 전력증폭기 기술에 대하여 중점적으로 살펴보았다

X-대역 GaN MMIC 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자는 AlGaN/GaN 채널을 사용한 게이트 길이 0.25μm 소자 공정 기술이 사용되고 있으며, 전력증폭 소자의 전력밀도는 대체적으로 4W/mm를 상회한다. X-대역 GaN MMIC 전력증폭기들은 3~50W 출력 범위로 다양하며, 최대 10W 정도의 출력과 최대 0.66W/mm2의 전력밀도의 X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기와는 달리 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기는 50W의 고출력과 0.78~3.62W/mm2의 고 전력밀도를 나타내어 고집적 고출력 소형 전력증폭기 구현이 가능함을 알 수 있었다.

Ku-대역 GaN MMIC 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자는 AlGaN/GaN 채널을 사용한 게이트 길이 0.25μm 소자 공정 기술과 후면 비어 홀 공정이 사용되고 있으며, 0.15μm GaN HEMT 공정 기술로 스케일링되는 추세이다. 0.25μm GaN HEMT 소자 공정 기술에서의 전력증폭 소자 전력밀도는 4.5~6W/mm의 높은 값을 갖는다. Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기들은 2.5~35.5W 출력 범위로 다양하며, 최대 6.75W 정도의 출력과 최대 0.79W/mm2의 전력밀도의 Ku-대역 GaAs MMIC 전력증폭기와는 달리 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기는 35.5W의 고출력과 0.83~4.92W/mm2의 고 전력밀도를 나타내어 고집적 고출력 소형 전력증폭기 구현이 가능함을 알 수 있었다.

X-대역과 Ku-대역 MMIC 전력증폭기 제작에 GaAs pHEMT 전력증폭 소자 공정이 공정 성숙도와 저렴한 생산 단가로 인하여 일부 사용되고 있으나, 비싼 가격에도 불구하고 외국의 상용 GaN HEMT 공정 기술은 상당한 정도로 안정화되어 X-대역과 Ku-대역 MMIC 전력증폭기 제작에 주류로 자리 잡기에 이르렀다. 국내의 경우 X-대역과 Ku-대역 GaN MMIC 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술은 외국 수준과 비교하여 출력과 전력부가효율이 낮거나 개별 전력증폭 소자 개발 수준이다. GaN MMIC 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술 및 MMIC 공정 기술은 세계적 기술 수준과 중요성을 감안할 때 국내에서도 세계적 기술 수준과 동등한 수준으로 확보하고 구축해야 할 핵심기술로 사료된다.

약어 정리

ETRI

Electronics and Telecommunications Research Institut

GaAs

Gallium-Arsenide

GaN

Gallium-Nitride

HEMT

High Electron Mobility Transistor

KORRIGAN

Key Organisation for Research in Integrated Circuits in GaN Technology

LDMOS

Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor

MMIC

Monolithic Microwave Integrated Circuit

pHEMT

pseudomorphic High Electron Mobility Transistor

RF

Radio Frequency

SAR

Synthetic Aperture Radar

UMS

United Monolithic Semiconductors

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표 1 X-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 기술

[10,11] [11] [12] [13] [14]
Process 0.25μm GaAs (WIN Semi) 0.1μm GaAs (WIN Semi) 0.3μm GaAs (RFMD) 0.25μm GaAs (TriQuint) 0.4μm GaAs (SELEX-SI)
Frequency(GHz) 8.25~10.25 9 7.5~11.5 9~10.5 9.0~12.0
Saturated output power(W) 10.7 0.55 0.52 6.31 6.31
PAE(%) 41.4 55.3 65* 38 38
Power density (W/mm2) 0.63 0.61 0.66 0.61 0.53

Drain Efficiency

표 2 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술

SELEX-SI>[15] Alcatel-Thales III-V Lab>[16] UMS>[18] WIN Semi>[20,21] ETRI[25]
Substrate SiC SiC SiC SiC SiC
Channel AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN
Gate length(μm) 0.5 0.25 0.25 0.25 0.25
Total gate width(mm) 1.0(10x0.1) 1.6(16x0.1) 1.0(8x0.125) 1.0(8x0.125) 0.8(8x0.1)
ft/fmax(GHz) - 18/35 - 24.5/86.0 >50/>100
Power density(W/mm) 4 Vd=25V, Vg=-5.5V /f=10GHz 4 Vd=25V, Id=430mA /f=10GHz 3.9 Vd=26V, Id=242mA / f=9.6GHz >4 Vd=28V / f=10GHz >4 Vd=20V, Vg= -2V /f=9GHz
PAE(%) - 55 62 64 35

표 3 X-대역 GaN MMIC 전력증폭기 기술

[16] [17] [18] [19] [20]
Process 0.25pm GaN (Alcatel-Thales III-V Lab) 0.5μm GaN (SELEX-SI) 0.25μm GaN (UMS) 0.25μm GaN (UMS) 0.25μm GaN (WIN Semi)
Frequency(GHz) 8.5~10.5 8.0~10.5 8.8~10.4 8.8~10.8 8.5~10.5
Saturated output power(W) 43 50 14 40 17.78
PAE(%) 52 35 38 44 37.3
Power density(W/mm2) 2.39 3.13 0.78 1.92 1.95
[21] [22] [23] [24] [25]
Process 0.25μm GaN (WIN Semi) 0.25μm GaN 0.25μm GaN (Qorvo/TriQuint) 0.25μm GaN (ETRI) 0.25μm GaN (ETRI)
Frequency(GHz) 9.0~10.0 8~12 9~10 8~10 9.0
Saturated output power(W) 21.38 40 17.78 6.0 3.5
PAE(%) 50.7 44.7 >40 25 35
Power density(W/mm2) 2.71 3.62 1.35 1.35 3.31

표 4 Ku-대역 GaAs MMIC 전력증폭기 기술

[27] [28] [29] [30] [31]
Process 0.35μm GaAs (TriQuint) 0.35μm GaAs (Transcom) 0.15μm GaAs (WIN Semi) 0.25μm GaAs (TriQuint) 0.25μm GaAs
Frequency(GHz) 10.7~12.7 13.5~14.3 12~16 13~18 13~19
Saturated output power(W) 6.6 6.76 4.47 6.5 1.26
PAE(%) >35 24.6 29 - 35
Power density (W/mm2) 0.63 0.79 0.48 0.58 0.42

표 5 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술

UMS[32,39] Wolfspeed[33,40] BAE Systems[41] Qorvo[34,44]
Substrate SiC SiC SiC SiC SiC
Channel AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN AlGaN/GaN
Gate length(μm) 0.25 0.25 0.2 0.25 0.15
Total gate width(mm) 0.6(8x0.075) - 0.2(2x0.1) 0.4(4x0.1) 0.4(4x0.1)
ft/fmax(GHz) 25/>50 - 52/121 >35/>150 >65/>150
Power density (W/mm) 4.5 6 5.5 6 3
PAE(%) - - 51 60 50

표 6 Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기 기술

[35] [36] [37] [38] [39]
Process 0.25μm GaN (Mitshubishi) 0.25μm GaN 0.25μm GaN (Fraunhofer) 0.25μm GaN (Fraunhofer) 0.25μm GaN (UMS)
Frequency(GHz) 6~18 13.5~14.5 14~18 12 18
Saturated output power(W) 20 17.5 2.5 25 10*
PAE(%) 15 >36.4 - 22 20
Power density(W/mm2) 1.04 1.52 0.41 1.0 0.51
[40] [41] [42] [43] [44]
Process 0.25μm GaN (Wolfspeed) 0.2μm GaN (BAE Systems) 0.2μm GaN (Northrop Grumman) 0.15μm GaN (Qorvo) 0.15μm GaN (Qorvo)
Frequency(GHz) 13.75~14.5 12~16 13.5~15.5 12 13.0~15.5
Saturated output power(W) 25 16.2* 16 15 35.5
PAE(%) 22 24.1 43 >37 >32
Power density(W/mm2) - 0.43 4.92 0.83 1.07

Output power at 3dB gain compression (P3dB)

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