5G 이동통신을 위한 GaN RF 전자소자 및 집적회로 기술 동향

이 절에서는 Ka-대역 GaN 집적회로를 위한 GaN HEMT 소자 기술을 살펴본다. ETRI에서 자체 개발한 소자 기술에 관해 설명하고 세계 선진업체의 파운더리(Foundry)에서 제공하는 소자 특성과 비교하였다. GaN 반도체 소재는 경쟁기술인 Si, GaAs 및 SiC 소재 등과 비교하여 에너지밴드 갭이 넓고 전자이동도가 높으므로 전력 소자로 적용하기에 유리한 장점들이 있다. 특히 전력 소자의 특성을 결정하는 밴드 갭, 2DEG 밀도, 항복전압 및 전자이동도에서 우수한 특성을 보이는 GaN는 소재적 측면에서 Si보다 전력 소자 분야의 성능지수가 1,400배나 우수한 특성을 가진다. GaN 반도체 소자는 크게 광소자와 전자소자로 분류할 수 있고, 전자소자는 다시 통신용 고주파 소자와 전력 전자용 스위칭 소자로 분류되고 있으며, 본 고에서는 5G 통신의 밀리미터파 동작을 위한 통신용 전력 증폭기에 사용되는 GaN 고주파 전력 소자의 특성을 살펴본다. 광대역, 고출력 특성을 가진 통신용 고주파 GaN 전력 소자는 이동통신용 기지국, 중계기, 위성통신, 선박 및 군용 레이더, 테러 방지용 전파 교란기 등의 송수신 장비의 전력증폭기 부품으로 활용되고 있으며, GaN 소자는 광대역 주파수에 적용할 수 있고 높은 출력을 나타내는 특성이 있다.

GaN 고주파 전력 소자는 통신장비 시스템 전체의 성능과 비용을 좌우하는 핵심부품으로 전력 증폭기 부품 원가의 20~50%를 차지하고 있으며, GaN 고주파 전력 소자의 성능을 결정하는 재료 및 화합물 반도체 기술은 고난도의 기술력이 있어야 한다. 현재 우리나라는 미국, 일본, 유럽의 선진국으로부터 GaN 고주파 전력 소자를 전량 수입하여 사용하고 있다. 특히 통신용 전력증폭기에는 Si, GaAs 전력 소자를 사용하였으나 최근 GaN 전력 소자로 대체되는 추세이며, 우리나라도 이동통신 기지국용 LDMOS 전력증폭기에서 점차 GaN 전력 소자를 사용하는 전력증폭기로 대체되고 있다. 또한 능동형 위상배열레이더에 사용되는 전력 증폭기 소자도 기존 GaAs 전력 소자에서 GaN 전력 소자로 대체되고 있다. GaN 전력 소자는 GaAs 및 LDMOS 반도체 소자보다 주파수 특성, 입/출력 정합, 선형성 및 전력 효율 등의 특성이 우수하다. 이동통신 전파 차단 및 군 통신장비 등에 적용되고 있는 GaN 전력 소자 산업 규모는 이동통신 분야에서 새로운 서비스가 시작되거나, 기존의 서비스를 확장하는 시기, 군 통신장비의 개발 및 교체 주기, 테러나 전쟁 위협 등에 따른 전파 차단 수요 변화에 따라 결정된다. 이와 같은 수요요인에 의해 통신용 고주파 전력증폭기 시장은 지속해서 증가하고 있으며, 따라서 차세대 통신 소자인 GaN 전력 소자 산업 또한 높은 성장성을 나타내고 있다. 또한, GaN 전력 소자는 고부가가치 상품으로 다양한 분야에 적용될 가능성이 커 국내 시장뿐만 아니라 세계시장을 목표로 각국에서는 GaN 전력 소자 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있다. GaN 전력 소자 기술은 선박용 또는 군수용 레이더, 미사일 등의 송수신기용 전력증폭기로도 활용도가 높은 전략적 품목으로 선진국으로부터 전체 기술 도입이 매우 어려우며, 높은 주파수 혹은 고출력 GaN RF 제품은 수출통제 품목이므로 국내 소자 공정기술을 자체 개발 확립하는 개발 전략을 가져야 한다.

한국전자통신연구원에서는 28GHz 대역 GaN 전력 소자 및 집적회로를 개발하기 위한 0.18μm D-mode GaN HEMT 소자를 개발하였다. 한국전자통신연구원의 자체 화합물 생산시설을 이용하여 제작되었으며 필요한 핵심 공정인 소스 및 드레인 영역에 오믹(Ohmic) 금속을 증착하고 열처리하는 기술, 이온 임플란트 기술, PECVD에 의한 절연막 증착 기술, 절연막 에칭 기술, 전자선 리소그라피(E-beam Lithography)에 의한 게이트 형성 기술, 배선 금속 증착 기술, 후면 비아홀(Backside Via) 형성기술 등을 자체적으로 확보하였다. 그림 4는 ETRI에서 개발한 0.18μm GaN RF HEMT 및 집적회로를 제작하기 위한 공정 순서를 나타낸 것이다. 소자 제작은 제일 먼저 오믹 전극 증착을 한 후에 이온 임플란트를 하여 소자를 분리한다. 이후 소자의 게이트 구조를 정의하고 게이트 전극을 증착한다. 게이트는 삼층 포토리지스트를 이용하여 T-형 게이트 구조를 형성시킨다. 소자의 절연막 증착을 한 후에 배선을 위한 금속과 에어브릿지 금속을 형성한다. GaN HEMT 소자의 경우 높은 전류밀도와 대전력 구동을 하게 되므로 소자의 접지와 열 분산을 위해서 소스 단을 연결하는 후면 비아홀 형성 공정이 필수적이다. ETRI에서는 자체 개발한 후면 비아홀 공정을 이용하여 안정적으로 100μm 두께를 갖는 웨이퍼에 재현성 있는 후면 비아홀을 형성시키는 기술을 확보하였으며 수동소자인 저항, 커패시터, 인덕터 등의 제작 공정을 능동 소자 공정과 동시에 진행하여 집적회로 형성을 위한 4인치 웨이퍼 일괄 공정을 개발하였다. 그림 5는 제작된 GaN RF HEMT 소자의 개략도를 나타낸 것이며, 그림 6은 GaN HEMT 소자의 0.18μm 게이트 구조를 나타낸 것이다. 28GHz에서 동작하는 전력증폭기를 제작하기 위해서는 최소한 집적회로의 동작 주파수보다 3배 이상의 소자 고속 특성이 요구되며, 이를 위해서는 GaN HEMT 소자의 게이트의 길이를 매우 짧게 만들어야 한다. 보통 반도체 식각 공정에서 사용하는 스테퍼의 경우 0.18μm의 게이트 미세패턴을 형성할 수 없으므로 전자선을 이용한 전자선 리소그라피를 사용하여 미세 게이트 구조를 형성할 수 있다. 국내에서는 0.18μm GaN HEMT 소자 및 MMIC 제작 일괄 공정을 확보한 곳은 ETRI가 유일하며 제작된 4인치 웨이퍼의 단위 소자 특성은 최대 트랜스컨덕턴스 270mS/mm이며, 차단 주파수 45GHz, 최대발진주파수 110GHz를 얻었다.

그림 4

GaN HEMT 전력 소자 및 집적회로 공정 순서

그림 5

ETRI 0.18μm GaN HEMT 소자 구조

그림 6

0.18μm 게이트 길이를 갖는 GaN HEMT 게이트 구조

세계 동향을 살펴보면 GaN RF 전력 소자 기술을 보유하고 있는 업체 및 연구소는 주로 미국과 유럽에 있다. 대표적인 업체로는 미국에는 Qorvo, Wolfspeed가 있으며, 유럽에는 UMS, OMMIC, IAF가 있으며, 일본의 Mistubishi, 대만의 Win Semiconductor 역시 기술을 가지고 있다. 본 고에서는 GaN foundry 서비스를 제공하는 업체 들이 제공하는 GaN RF HEMT 소자의 특징을 살펴본다. Qorvo[12]의 5G 이동통신을 위한 GaN 기술 로드맵을 살펴보면 6GHz 이하의 더 낮은 주파수에서는 더 높은 전압 구동이 가능한 0.25μm 기술(QGaN25HV)이 적용되며 48V 구동이 가능하고 높은 이득과 전력 효율로 서브6 주파수 대역의 5G 기지국에 적합하다. 밀리미터파 대역을 위해서는 0.15μm 기술(QGaN15)이 적용될 수 있으며, 4W/mm의 전력 특성을 가진다. Wolfspeed[13]의 GaN RF 소자 기술은 모두 5종이 있으며 각각 게이트 길이와 구동 전압에 따라서 분류될 수 있다. 게이트 길이 0.25μm인 G28V4와 G40V4 기술은 동작 전압이 각각 28V, 40V의 차이와 전력밀도의 차이가 있다. 밀리미터파 응용을 위해서 0.15μm 게이트 길이를 가지는 G28V5 기술을 가지고 있으며, 동작전압 28V, 전력밀도 3.75W/mm의 특성을 보인다. UMS[14]는 게이트 길이 0.25μm와 0.15μm의 두 가지 GaN 공정을 보유하고 있으며, 밀리미터파 응용을 위한 0.15μm 게이트 길이를 가지는 GH15 공정은 동작전압은 20V이며, 기판 두께는 70μm이며 전력밀도는 3.5W/mm의 특징을 가진다. OMMIC[15] GaN RF HEMT 소자의 특징은 다른 업체와 달리 기판을 Si를 사용한다는 점이다. SiC와 비교해 가격이 더 저렴한 웨이퍼를 사용한다는 장점이 있지만, 동작전압이 낮고 3인치 공정을 사용하고 있다. 높은 주파수 특성을 확보하기 위해서 게이트 길이 0.1μm인 D01GH 공정을 사용한 소자는 동작전압은 12V이며, 전력밀도는 3.5W/mm이다. 또한 60nm의 게이트 길이를 가지는 D006GH 공정을 개발하고 있으며 소자의 차단 주파수 특성을 150GHz까지 향상해 더 높은 주파수 대역에 대응할 수 있도록 준비하고 있다. Win Semiconductor[16]의 GaN 소자 공정은 세 가지이며 0.15μm 게이트 길이를 가지는 NP15 공정은 동작전압은 20V이며, 기판 두께는 100μm이고 90V 이상의 항복전압 특성을 보여주고 있다. 대표적인 GaN RF 소자공정을 보유한 업체의 소자 특성을 표 1에 정리하였으며 ETRI에서 개발한 0.18μm GaN HEMT 소자 특성과 비교하였다. ETRI 소자의 특성은 동작 전압과 전력밀도 특성이 세계 최고 수준에는 조금 부족한 특성을 보이고 있으며 성능 개선과 양산화를 위한 추가적인 연구를 진행하고 있다.

이 절에서는 28GHz 주파수를 포함하는 Ka-대역 GaN 집적회로 기술 동향에 대하여 살펴보며, 특히 다양한 업체의 GaN HEMT 소자를 이용한 전력증폭기의 성능과 특성을 비교해 본다. 전력증폭기는 5G 이동통신 및 레이더 시스템의 핵심 단위 부품으로써 고객이나 시장의 요구에 따라 5G 이동통신을 위한 고 선형, 고효율의 기지국용 전력증폭기의 개발이 필요하다. 5G 이동통신을 위한 전력증폭기는 고출력뿐만 아니라 높은 전송품질(고 선형성)과 낮은 전력 소모(고효율성)의 특성을 가져야 한다. 높은 효율과 우수한 선형성의 전력증폭기 기술은 친환경 기지국 구현에 있어 필수적이며 차세대 이동통신 기지국의 소형화와 소형 셀에 의한 기지국 수 증가로 시내 건물 주변에도 많은 기지국이 설치될 것으로 예상되므로 GaN 전력증폭기 및 관련 집적회로 기술 시장은 앞으로 매우 유망할 것이다. GaN 트랜지스터 기반 고출력 전력증폭기는 앞 절에서 설명한 것처럼 GaN의 물질 특성의 우수성에 의해 전력증폭기로 사용되었을 때 큰 장점이 있다. Qorvo에서 발표된 자료[17]에 따르면 0.15μm GaN HEMT 소자를 사용한 전력증폭기와 대응되는 출력 특성을 갖는 GaAs 기반의 전력증폭기를 비교하였을 때 GaN 기반 전력증폭기의 전력밀도는 4배 정도 크며, 제작된 칩의 크기는 82% 감소할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 즉, GaN RF HEMT 전력증폭기의 우수한 특성은 시스템의 소형화와 쉬운 집적화를 가능하게해 준다. 현재 GaN 전력 소자를 기반으로 하는 고출력 전력증폭기에 대한 국내외 수요 업체의 관심이 집중되고 있으며, 주요 기술 및 시장분석 기관에서는 향후 2~3년 사이에 기존 GaAs, Si 기반의 기술을 전면적으로 대치할 것으로 예상한다. 차세대 5G 이동통신 분야의 급격한 시장 확대를 고려할 때 GaN 기반 반도체 고출력 증폭기 기술 개발의 선진화를 달성하고 기반 기술을 확보하는 것이 미래 핵심기술이 될 것이다. 이를 위해, ETRI에서는 개발된 0.18μm GaN RF HEMT 소자 기술을 활용하여 Ka-대역인 28GHz에서 동작하는 전력증폭기 MMIC를 개발하였다. 제작은 ETRI에서 자체 개발한 GaN HEMT 소자 라이브러리를 이용하였으며 그림 7에 제작된 28GHz 대역 집적회로 제작 4인치 웨이퍼를 보여주고 있다. 능동소자인 GaN HEMT 소자의 모델은 Angelov 모델을 사용하여 파라미터를 추출하였으며, 이득과 출력 특성을 고려하여 최종 단에 8개의 전력 소자 셀을 병렬로 연결하는 2단 구조의 전력증폭기를 설계하였다. 그림 8에 28GHz 전력증폭기의 간략화 된 회로 구성도를 나타내었다. 사용한 전력 소자 셀의 총 게이트 폭은 400μm이며, 따라서 최종 단의 총 게이트 폭은 3.2mm이다. 제작된 28GHz 전력증폭기 칩 사진을 그림 9에 나타내었으며 측정된 결과는 주파수 대역폭은 26~31GHz이었으며, 최대 6W의 출력전력과 20%의 효율을 얻었다. 전력증폭기의 출력을 최종 단의 게이트 폭으로 나눈 값을 전력밀도로 정의하여 구해진 전력밀도는 1.9W/mm이다. 국내 자체 4인치 GaN 공정을 적용하여 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술을 세계 기술과 비교하기 위해 해외의 GaN HEMT 소자를 이용한 Ka-대역 전력증폭기 개발 동향을 살펴보았다[18-25]. 미국의 Triquint는 RFMD와 합병하여 현재는 Qorvo사이며, 2013년 발표된 Ka-대역 전력증폭기는 8×50μm 크기의 전력 소자 셀을 사용하였으며 최대 11W의 출력성능과 6.4W 출력성능을 갖는 두 가지 전력증폭기 성능을 발표하였다[18]. 20W 이상의 높은 출력 특성을 갖는 GaN HEMT 전력증폭기 결과는 2017년 Mitsubishi GaN HEMT 공정을 이용한 전력증폭기가 21.7W를 CW에서 구동하였다[20]. 높은 출력전력을 얻기 위해 회로 구조는 이단 구성이며 출력단은 16개의 전력 소자 셀을 병렬로 연결하였다. 각 전력 소자 셀은 10×40μm의 크기를 가지고 있으며, 총 게이트 길이는 6.4mm이므로 전력밀도는 3.4W/mm로 구해진다. GaN/Si 구조를 갖는 특징을 가지고 있는 OMMIC GaN 공정을 이용한 전력증폭기의 특성은 최대 10W의 출력 특성과 30%의 효율, 2.5W/mm의 전력밀도를 보여주고 있다[21]. 제작된 회로의 특징은 전력증폭기뿐만 아니라 저잡음 증폭기와 스위치를 하나의 집적회로로 구현하여 송수신 집적회로를 구현했다는 점이다. 전력증폭기는 송신 단에서 저잡음 증폭기는 수신단에서 동작하며 SPDT 스위치를 이용하여 하나의 칩으로 통합되어 안테나와 연결될 수 있도록 하였다. 하나의 칩으로 구성하였을 때 전체 칩 면적을 줄이며, 칩 간 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다. 프라운호퍼 연구소의 기술을 이용한 다수의 우수한 GaN 기반 전력증폭기 결과도 발표되었다[22,25]. 프라운호퍼 GaN 기술은 3인치 웨이퍼 공정을 사용하며 OMMIC와 같이 0.1μm 게이트 길이를 가지는 GaN HEMT 소자 공정과 4인치 웨이퍼를 사용하는 0.15μm 게이트 길이를 가지는 GaN HEMT 소자 공정이 있으며 각각을 이용하는 전력증폭기에 관한 결과가 발표되었다. 웨이퍼의 두께는 모두 70μm이다. UMS에서 제작된 전력증폭기는 9W의 출력전력과 20W의 출력전력을 갖는 두 가지 전력증폭기의 결과가 발표되었다[24]. 전력 소자 셀은 6×70μm이며, 동작전압은 22.5V이며, 전력밀도는 3.8W/mm의 우수한 특성을 나타내었다. 기존 낮은 주파수인 X-대역과 Ku-대역 전력증폭기의 특성을 살펴보면 X-대역 전력증폭기의 출력 특성은 3.5~50W의 범위를 나타내었으며, Ku-대역 GaN MMIC 전력증폭기들은 2.5~35.5W 출력 범위를 나타내었다[26]. 제작된 전력증폭기는 앞서 설명한 Ka-대역 전력증폭기와 마찬가지로 주로 Qorvo사, Wolfspeed사, UMS사, OMMIC사와 같은 유럽과 북미의 전문 GaN MMIC 파운더리에서 제작되었다. 즉 기존 GaN MMIC 파운더리 업체들은 X-대역, Ku-대역 전력증폭기뿐만 아니라 Ka대역 전력증폭기를 위한 소자 기술과 설계 기술이 상당한 수준에 이르렀음을 알 수 있다. 표 2에 여러 업체의 Ka-대역 GaN MMIC 공정 기술(Qorvo, Mitsubishi, OMMIC, IAF, UMS, ETRI)을 이용한 결과들을 정리하였다. 표 2의 Ka-대역 GaN MMIC 전력증폭기들의 출력전력과 주파수 대역 및 효율 등은 설계 목표에 따라 다양하며, 사용하고 있는 GaN HEMT 소자의 게이트 길이는 0.1μm 혹은 0.15μm이다. 전력증폭기의 출력전력을 결정하는 것은 최종 단에 있는 GaN HEMT 전력 소자의 총 게이트 폭이며 출력전력은 6~21.7W의 범위를 나타내었으며, 전력밀도 값은 대략 1.9~4.1W/mm 값을 나타내고 있다. Ka-대역 GaN MMIC 전력증폭기 기술의 중요성과 세계 기술 수준의 발전 속도를 고려할 때, Ka-대역 GaN MMIC 공정기술 확보뿐만 아니라 고효율/고출력 GaN MMIC 전력증폭기 설계 기술 개발이 지속해서 필요하다. 국내의 경우 외국 상용 GaN MMIC 파운더리를 이용하여 전력증폭기를 설계해 본 기관 및 결과가 다수 존재하므로 Ka-대역 GaN MMIC 공정기술의 확보가 가능하다면 보유하고 있는 전력증폭기 설계 기술력을 활용하여 우수한 전력증폭기 개발이 가능할 것으로 판단된다.

그림 7

28GHz 대역 집적회로 제작 웨이퍼

그림 8

28GHz 전력증폭기 회로 구성도

그림 9

28GHz 전력증폭기 칩 사진