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주완 황보
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1 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Jan.; 28(1, ISSN (Print ISSN X (Online ETRI 0.25 μm GaN MMIC X- MMIC ETRI 0.25 μm GaN MMIC Process and X-Band Power Amplifier MMIC 이상흥 김성일 안호균 이종민 강동민 김동영 김해천 민병규 윤형섭 조규준 장유진 이기준 임종원 Sang-Heung Lee Seong-Il Kim Ho-Kyun Ahn Jong-Min Lee Dong-Min Kang Dong Yung Kim Haecheon Kim Byoung-Gue Min Hyung Sup Yoon Kyu Jun Cho Yoo Jin Jang Ki Jun Lee* Jong-Won Lim 요약 (ETRI 0.25 μm GaN MMIC, X- 3 W GaN MMIC. X- GaN HEMT GaN MMIC 1, ETRI 0.25 μm GaN MMIC. X- GaN MMIC, 3.5 W, 10 db 35 %. Abstract In this paper, ETRI's 0.25 μm GaN MMIC process is introduced and the fabricated results of X-Band 3 W power amplifier MMIC are discussed. The one-stage X-Band 3 W power amplifier MMIC using the 0.25 μm GaN MMIC devices has been designed and fabricated. From the fabricated GaN MMIC, the characteristics of the 0.25 μm GaN MMIC process and devices are evaluated and analyzed. The X-band power amplifier MMIC shows output power of 3.5 W, gain of 10 db, and power-added efficiency of 35 %. Key words: GaN HEMT, X-Band, Power Amplifier, MMIC. 서론 GaN(Gallium Nitride,, RF GaN. GaN LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor (Gallium-Arsenide, [1] [5]. RF GaAs MMIC, GaN III-V (ESSOP CUBE 3D 2016 ( (No.B RF (RF Convergence Components Research Section, Electronics and Telecommunications Research Institute * (Department of Electronics Engineering, Chungnam National University Manuscript received October 13, 2016 ; Revised October 28, 2016 ; Accepted December 29, (ID No S Corresponding Author: Sang-Heung Lee ( shl@etri.re.kr c Copyright The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. All Rights Reserved. 1

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 28, no. 1, Jan. 2017. GaN MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit,. GaN MMIC EL(Export License,., GaN (ETRI 0.

AlGaN/GaN, 4 SiC MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 25 nm Al 0.25 Ga 0.75 N 2 μm GaN 2-DEG(Dimensional Electron Gas.,, 2 그림 1. ETRI AlGaN/GaN HEMT Fig. 1. Cross-section of ETRI AlGaN/GaN HEMT device.

2 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 28, no. 1, Jan GaN MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit,. GaN MMIC EL(Export License,., GaN (ETRI 0.25 μm GaN MMIC μm GaN MMIC, X- 3 W GaN MMIC. X- GaN MMIC ETRI 0.25 μm GaN MMIC.. ETRI 0.25 μm GaN MMIC 제작공정 ETRI GaN HEMT MMIC 1. AlGaN/GaN, 4 SiC MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 25 nm Al 0.25 Ga 0.75 N 2 μm GaN 2-DEG(Dimensional Electron Gas.,, 2 그림 1. ETRI AlGaN/GaN HEMT Fig. 1. Cross-section of ETRI AlGaN/GaN HEMT device. 그림 2. ETRI AlGaN/GaN HEMT Fig. 2. Fabrication process flow of ETRI AlGaN/GaN HE- MT device..,, Ti/Al/Ni/Au., , 0.5 cm, 425 /sq ( 3. 3 (5, 2, (5, 5 (5, 8 (x, y., mesa phosphorus, 50 nm passivation. TFR(Thin Film Resistor NiCr e-beam evaporator, Ti/Au. Gate foot PMMA e-beam, 250 nm gate foot, RIE(Reactive Ion Etching. T-gate head 2

, PMMA/Copolymer/PMMA 3 e-beam T-. Ni/Au ( 4.

100 μm thinning, Ni, SiC, Au-plating. 5 SiC SEM, 6 ETRI 0.

3 ETRI 0.25 μm GaN MMIC X- MMIC (a 그림 5. SiC SEM Fig. 5. Via-hole SEM image after SiC substrate etching. (b 그림 3. TLM (a (b Fig. 3. Fabricated TLM pattern(a and ohmic-contact characteristics(b., PMMA/Copolymer/PMMA 3 e-beam T-. Ni/Au ( 4., MIM(Metal Insulator Metal, air-bridge Au-plating. 100 μm thinning, Ni, SiC, Au-plating. 5 SiC SEM, 6 ETRI 0.25 μm GaN 4 GaN MMIC 800 μm ETRI GaN. MMIC ETRI GaN 5 μm, 100 μm 8 finger 800 μm.,. 2- DEG NiCr thin film TFR, ETRI PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (ε=6 7 MIM, 3 μm (a 그림 4. T- (a T- (b Fig. 4. Fabricated T-gate pattern(a and T-type gate electrode(b. (b (a 4 GaN wafer (a 4-inch GaN wafer (b GaN (b GaN active device 그림 μm GaN MMIC Fig. 6. Active device fabricated by 0.25 μm GaN MMIC process. 3

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25 μm GaN MMIC 소자특성 ETRI 0.25 μm GaN MMIC 800 μm AlGaN/GaN HEMT ( 100 μm 8 finger, ( TFR,. 800 μm AlGaN/GaN HEMT (b (b Transconductance 표 1. 800 μm AlGaN/ GaN HEMT Table.

4 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 28, no. 1, Jan (a (b (a Capacitor (b Inductor (a - (a I-V characteristics (c TFR (c TFR (d (d Channel resistor 그림 7. GaN Fig. 7. Passive devices fabricated on GaN wafer. Au.. ETRI 0.25 μm GaN MMIC 소자특성 ETRI 0.25 μm GaN MMIC 800 μm AlGaN/GaN HEMT ( 100 μm 8 finger, ( TFR,. 800 μm AlGaN/GaN HEMT (b (b Transconductance 표 μm AlGaN/ GaN HEMT Table. 1. Electrical characteristics of total gate width 800 μm AlGaN/GaN HEMT. (ms/mm 800 μm 300 (ma/mm >519 (GHz >55 (GHz >100 (c RF (c RF characteristics 그림 μm AlGaN/GaN HEMT Fig. 8. Characteristics of total gate width 800 μm AlGaN/ GaN HEMT. 4

5 ETRI 0.25 μm GaN MMIC X- MMIC DC RF 8. 8, V d =20 V 300 ms/mm 55 GHz (V g = 2 V. 800 μm AlGaN/GaN HEMT db/dec, 8(c overestimate.., 425 /sq, TFR 25 /sq. MIM 0.61 ff/μm μm, 50 μm 100 μm 1.5 turn, 2.5 turn, 3.5 turn 4.5 turn, nh. ETRI 0.25 μm AlGaN/GaN HEMT Keysight ADS Angelov-GaN [6], lumped element [7],[8]. Intput (50 Ω VG VD (a (a Circuit Output (50 Ω. X-대역 3 W GaN 전력증폭기 MMIC 설계및제작 ETRI 0.25 μm GaN HEMT, X- 3 W GaN MMIC. X- 3 W GaN MMIC., X- 3 W GaN MMIC(9 GHz 3 W 800 μm AlGaN/GaN HEMT 1. X- 3 W GaN MMIC 9(a, 800 μm AlGaN/GaN HEMT., 28 V, 9 GHz 9(b -,. X- 3 W GaN MMIC, ETRI 0.25 μm GaN MMIC. (b - (b Load-pull simulation result 그림 9. X- 3 W GaN MMIC ( : contours, : PAE contours, m2: Fig. 9. X-band 3 W GaN power amplifier MMIC circuit and load-pull simulation results(continuous line: output power contours, dot line: PAE contours, m2: maximum output power.. X- 3 W GaN MMIC - 2. 표 μm AlGaN/GaN HEMT - Table. 2. Results of load-pull simulation for total gate width 800 μm AlGaN/GaN HEMT. 3.2+j j dbm 5

Characteristics of fabricated X-band 3 W power amplifier MMIC. Ref. Freq. (GHz Gain (db Pout (w PAE (% [9] 9.5 10.0 12.0 25.0 35.

11(b, (a (a Chip (a (a Power characteristics (b (b Measurement board (c (c Chip measurement 그림 10.

6 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 28, no. 1, Jan X- 3 W GaN MMIC 10, X- 3 W GaN MMIC mm 2., DC, RF CW S-. 9 GHz 11, 35.3 dbm(3.5 W, 10 db, 표 3. X- 3W MMIC Table 3. Characteristics of fabricated X-band 3 W power amplifier MMIC. Ref. Freq. (GHz Gain (db Pout (w PAE (% [9] [10] [11] >5.0 >43.0(DE This work (PAE 35 %, S 11 S db 10 db. 11(b, (a (a Chip (a (a Power characteristics (b (b Measurement board (c (c Chip measurement 그림 10. X- 3 W GaN MMIC Fig. 10. X-band 3 W GaN power amplifier MMIC chip measurement. (b (b Input/output matching characteristics 그림 11. X- 3 W GaN MMIC Fig. 11. Measured results of X-band 3 W GaN power amplifier MMIC. 6

7 ETRI 0.25 μm GaN MMIC X- MMIC 1 GHz (shift, MMIC. X- 3 W GaN MMIC 3,.,. GaN MMIC.. 결론 ETRI 0.25 μm GaN MMIC. ETRI 0.25 μm GaN HEMT X- 3 W GaN MMIC. ETRI 0.25 μm GaN MMIC, MMIC, GaN MMIC 1. X- 3 W GaN MMIC, (shift. MMIC, MMIC ETRI 0.25 μm GaN HEMT. MMIC ETRI 0.25 μm GaN MMIC, ETRI 0.25 μm GaN MMIC. ETRI 0.25 μm GaN MMIC MMIC,. References [1] U. K. Mishra, P. Parikh, and Y. F Wu, "AlgaN/GaN HE- MTs-an overview of device operation and applications", Proceedings of the IEEE, vol. 90, no. 6, Jun [2] M. Thorsell, M. Fagerlind, K. Andersson, N. Billström, and N. Rorsman, "An X-band AlGaN/GaN MMIC receiver front-end", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 20, no. 1, Jan [3] H. Shigematsu, Y. Inoue, A. Akasegawa, M. Yamada, S. Masuda, Y. Kamada, A. Yamada, M. Kanamura, T. Ohki, K. Makiyama, N. Okamoto, K. Imanishi, T. Kikkawa, K. Joshin, and N. Hara, "C-band 340-W and X-band 100- W GaN power amplifiers with over 50 % PAE", IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp , Jun [4],,, "GaN HPA MMIC ",, 25(2, pp , [5],,,,,, " GaN ",, 29(6, pp. 1-13, [6],,,,,,,,,,, "X- GaN HEMT ",, pp , [7],,,, "SiC ",, 2(1, p. 418, [8],,,,,,, "GaN MIM ",, 24(1, p. 131, [9] J. Leckey, "A 25 W X-band GaN PA in SMT package", European Microwave Conference, vol. 44, pp , Oct [10] A. Zai, D. Li, S. Schafer, and Z. Popovic, "High-efficiency X-band MMIC GaN power amplifiers with supply modulation", IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., TU4B-4, Jun [11] V. Camarchia, J. Fang, G. Ghione, J. Rubio, M. Pirola, and R. Quaglia, "X-band wideband 5 W GaN MMIC power amplifier with large-signal gain equalization", Work- 7

shop on Integrated Nonlinear Microwave and Millime- tre-wave

1988 2 : ( 1992 2 : ( 1998 2 : ( 1998 4 1999 6 : Post-Doc.

주관심분야 ],, / 1998 2 : ( 2000 2 : ( 2000 3 : 2016 2 : [ 주관심분야 ],

MMIC 1995 2 : ( 1997 2 : ( 2001 8 : ( 2001 9 : [ 주관심분야 ] 2009

8 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 28, no. 1, Jan shop on Integrated Nonlinear Microwave and Millime- tre-wave Circuits, S5-3, Sep : ( : ( : ( : Post-Doc : SiGe /SiGe : : : [ 주관심분야 ],, / : ( : ( : : [ 주관심분야 ], : ( : ( : ( : [ 주관심분야 ] GaN RF MMIC : ( : ( : ( : [ 주관심분야 ] : ( : : ( MCC : [ 주관심분야 ],, RF : ( : ( : ( : [ 주관심분야 ], 8

한국전자통신연구원 책임연구원 [주 관심분야] 화합물반도체 소자/공정 등 장유 진 1982 2 : 1984 2 : ( 1992 12 : IIT 1984 1 1984 민병 규 년 월 연세대학교 금속공학과 (공학 년

2000 4 윤형 섭 년 2월: 광운대대학교 전자재료공학 과 (공학 1984년 2월: 인하대학교 응용물리학과 (공 학석 1991년 2월: 인하대학교 응용물리학과 (공 학박 1984년 5월 현재: 한국전자통신연구원

[주 관심분야] 반도체 소자 측정 및 평가 분석, 반도체 공정 비용 분석 및 설계 등 2007 2 : 2013 7 이기 준 년 2월: 서울대학교 공업교육학과 (전 자전공 (공학 1981년 2월: 한국과학기술원

Interconnection 모델링, 집적회로 설계 등 1978 임종 원 년 월 중앙대학교 물리학과 (이학 년 월 중앙대학교 물리학과 (이학석 년 월 중앙대학교 물리학과 (이학박 년 월 현재: 한국전자통신연구원

9 ETRI 0.25 μm GaN MMIC 김해 천 년 월 서울대학교 금속공학과 (공학 년 월 한국과학기술원 재료공학과 공학석 년 월 재료공학과 (공학박 년 월 년 6월: LG전자 중앙연 구소 선임연구원 1993년 6월 현재: 한국전자통신연구원 책임연구원 [주 관심분야] 화합물반도체 소자/공정 등 장유 진 : : ( : IIT 민병 규 년 월 연세대학교 금속공학과 (공학 년 월 연세대학교 금속공학과 (공학 석 년 월 연세대학교 재료공학과 (공학 박 년 월 현재: 한국전자통신연구원 책 임연구원 [주 관심분야] 화합물반도체 소자/공정 등 : : : 윤형 섭 년 2월: 광운대대학교 전자재료공학 과 (공학 1984년 2월: 인하대학교 응용물리학과 (공 학석 1991년 2월: 인하대학교 응용물리학과 (공 학박 1984년 5월 현재: 한국전자통신연구원 책 임연구원 [주 관심분야] 초고주파 반도체 소자 및 공정기술, RF 부품기 술등 1980 조규 준 공정 및 X-대역 전력증폭기 MMIC 년 월 인하대학교 해양과학과 (이학 년 월 현재: 한국전자통신연구원 연구원 [주 관심분야] 반도체 소자 측정 및 평가 분석, 반도체 공정 비용 분석 및 설계 등 : 이기 준 년 2월: 서울대학교 공업교육학과 (전 자전공 (공학 1981년 2월: 한국과학기술원 전기 및 전자 공학과 (공학석 1986년 2월: 한국과학기술원 전기 및 전자 공학과 (공학박 1986년 9월 현재: 충남대학교 전자공학 과 교수 [주 관심분야] Mixed-Mode 시뮬레이션, Interconnection 모델링, 집적회로 설계 등 1978 임종 원 년 월 중앙대학교 물리학과 (이학 년 월 중앙대학교 물리학과 (이학석 년 월 중앙대학교 물리학과 (이학박 년 월 현재: 한국전자통신연구원 책 임연구원 2013년 2월 현재: 한국전자통신연구원 RF융합부품연구실 실장 [주 관심분야] GaN HEMT 소자 및 MMIC 등 : : : 년 5월: Cornell University 전자공학과 공학 년 5월: Cornell University 전자공학과 공학석 년 8월 현재: 한국전자통신연구원 연 구원 [주 관심분야] 초고주파 소자/공정 등 2012 ( 2013 (

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Sep.; 30(9),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2019 Sep.; 30(9), 712 717. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2019.30.9.712 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) MOS