In this work, A new fabrication technology that integrates simultaneously both FETs and diodes on a wafer using selective-area metalorganic chemical vapor deposition (SMOCVD) was proposed. Because this approach involves epitaxial growth, it is more advantageous than the implantation method, which is one of the effective method for integrating FETs and diodes, for increasing the thickness and doping concentration of the $n^{+}$-doped contact layer. In this paper, the structure of FECFET was used for the integration of FETs and diodes. Because the effective channel length (the distance between drain and source) of FECFET is very short, the knee voltage and transconductance of FECFET are superior to those of conventional MESFET with the same gate length, and especially, FECFET has the $n^{+}$ -doped contact layer under the active layer, it is easy to integrate with high quality diode with low series resistance.
In this paper, to demonstrate the integration of FECFET and diode, two kinds of ICs consisted of diodes and FECFETs were selected. They are diode mixer & FECFET-IF amplifier and FECFET voltage controlled oscillator(VCO). First, diodes for mixer are measured. Diodes with the area of 1×30μ㎡ typically exhibited a zero-bias junction capacitance between 50fF and 80fF and series resistance was smaller than 8Ω, but, some diodes had very low series resistance less than 1-2 Ω. In this case, the series resistance is much less than that of selective deep implantation technology. The LO frequency and RF frequency of mixer were 35GHz and 36GHz, respectively. The diode mixer showed the conversion loss less than 7dB at 12dBm LO power. This measured value is the total conversion loss including the loss of the test fixture. Thus, the net conversion loss is expected to be less than this value. The gain of FECFET IF amplifieris exhibited about 5dB at the IF frequency of 1GHz. This value was less than the conversion loss (7dB) of diode mixer, and the center frequency was 0.7GHz, not 1GHz.
FECFET VCO was designed using Materka-Kacprzak large signal model for FECFET. The fabricated VCOs exhibited the tuning bandwidth of ±3.86~6%, and the maximum power of 11dBm. The measured SSB phase noise was -76dBc/Hz and -112dBc/Hz at 100KHz and 1MHz off carrier frequency, respectively.
In conclusion, it was proved that the structure and technology of FECFET was easily applicable to the integration of the circuits consisted of FETs and diodes.
다이오드와 전계효과 트랜지스터는 그 구조가 상이하기 때문에 집적하기 매우 어렵다. 하지만 두 소자의 집적은 다이오드와 트랜지스터가 동시에 집적되어야 하는 여러 회로에서 아주 중요하기 때문에 많은 연구가 되고 있는 분야이다. 본 논문에서는 이를 해결하기 위한 한가지 방법으로 FECFET 소자를 이용한 구조를 제안하였다. FECFET은 활성층 밑에 $n^{+}$층이 있기때문에 직렬 기생저항이 작은 다이오드를 만들기에 아주 적합하므로 이 구조를 이용하였다. 또한 이 방법은 에피성장법을 이용하므로 트랜지스터와 다이오드를 집적하는 효과적인 방법중 하나인 이온주입기술이 가지지 못한 장점을 가지고 있다. 갈륨비소 기판에서의 이온주입은 그 불순물 농도와 두께가 특히 제한을 받는데 비해, 본 논문의 방법은 $n^{+}$ 접촉층의 두께와 도핑농도를 이온주입기술보다 높게 할 수 있는 장점을 가진다. 이 논문에서는 FECFET 와 다이오드의 집적을 증명하기 위해서 다이오드와 트랜지스터가 모두 필요한 두가지 종류의 집적회로를 선택, 제작하였다. 선택한 두 가지 회로는 다이오드 믹서와 IF증폭기 그리고 가변전압발진기이다.
36GHz의 RF와 35GHz의 LO를 사용한 단일평형 다이오드 믹서와 1GHz IF증폭기의 경우, 제작중에 SiNx의 특성이 아주 나빠서, 2단 IF증폭기는 모두가 동작하지 않았고, 단지 1단 IF증폭기만 동작하였다. 따라서 완전한 다이오드와 IF증폭기의 집적은 실패하여, 믹서와 FECFET IF 증폭기를 각각 따로 측정하였다. 제작된 1×30㎛의 면적을 가진 믹서용 다이오드의 경우, 50에서 80fF사이의 영전압 접합캐패시턴스와 8Ω 미만의 직렬저항을 가졌다. 그러나 몇몇 다이오드는 직렬저항의 경우 1에서 2Ω 미만의 극히 작은 저항을 가졌다. 이는 이온주입기술을 사용한 다이오드와 비교할 때 더욱 작은 저항을 가지는 것이다. 따라서, 이 기술이 작은 직렬저항을 갖는 다이오드의 제작에 유리함을 알 수 있었다. 제작한 다이오드믹서는 12dBm의 LO 전력에서 약 7dB의 변환 손실을 가졌다. FECFET IF 1단증폭기는1GHz의 IF주파수에서 믹서의 변환 손실 보다도 작은 5dB정도의 이득밖에 가지지 못하였다. 이는 공정중 접촉 저항이 커서 FECFET의 전달컨덕턴스가 예상외로 작게 나왔기 때문이다.
배랙터 다이오드를 사용하는 FECFET 전압조정 발진기(VCO)는 FECFET의 Materka-Kacprzak대신호 모델을 이용하여 설계하였다. 제작한 VCO는 약 ±3.86~6%의 튜닝 대역과 3dBm과 11dBm 사이의 출력전력을 가졌다. 측정된 위상잡음은 발진 주파수에서 100KHz와 1MHz 떨어진 곳에서 약 -70dBc/Hz와 -100dBc/Hz정도의 잡음을 보였다.
결론적으로, FET와 다이오드가 같이 집적되는 회로의 제작에 FECFET이 손쉽게 쓰일수 있음을 증명하였다.