This thesis deals with three topics in the field of compound semiconductor device and packaging technology. The one is active resistor with large resistance variation, the other is self-aligned InGap/GaAs heterojunction bipolar transistor(HBT's) and the third is multichip packaging on oxidized porous silicon(OPS) substrate.
Using selective MOCVD, new type of active resistor which controls the resistance value by the number of $SiO_2$ stripes has been developed. Etching time of channel layer can set resistance value per stripe and total number of $SiO_2$ stripes determins the resistance value. After the etching of 50sec., resistance value for two stripes is 1200Ω. Therefore it has resistance of 600Ω/w=50μm. If we increase the number of $SiO_2$ stripes the resistance value will be increased due to the series connections. It can function like FET when light is illuminated on the active resistor because it has the structure of floated electron channel fet(FECFET) without a gate. It has current value of 1mA for 10μW light intensity and current gain of -1dB at 4GHz.
InGaP/GaAs HBTs are promising for high power and low phase noise applicatons. It has selectivity in emitter and base etching, high ΔEv and low ΔEc compared to AlGaAs/GaAs HBTs. The fabricated two finger 1.5x10μ㎡ emitter device showed DC gain of 45, $f_т$ of 18GHz and $f_{max}$ of 15GHz. We have proposed a new HBT structure with reduved base-collector capacitance using silicon nitride planarization. It features that the base metal is placed partially on the semiconductor and partially on the silicon nitride. Two devices were compared and HBT-R showed 450% reduction of $C_{BC}$, 127% increase of $f_т$ and 77% increase of $f_{max}$. The reverse process is suitable for reduction of the base-collector capacitance and high performance small area devices.
Integration of HBT's and FET's on the same substrate is one of the most challenging issues of multifunctional microwave circuit applications. HBTs and FETs have supplemental relationships in many aspects of performance and are expected to be a breakthrough in the field of GaAs MMIC's and OEIC's. As a substrate material for hybrid multichip packaging, oxidized porous silicon(OPS) layer has the advantages of low dissipation factor, lower cost, lower process time and more mass production than other chemical vapor deposition methods. In the microwave frequency region, it has low dielectric loss, high Q planar inductor which is critical in RF devices and coplanar waveguide with low return, insertion loss.
We have fabricated LED driving amplifier which is integrated with HBT, FET and LED on the OPS substrate. It has linear bias point and current gain of 5dB at 15GHz. LUFET-type downconversion mixer has been fabricated. FETs are die-attached on the OPS substrate and it is connected by wire-bonding method. It has conversion loss of 8dB and input 1dB compression of -9dB. Using OPS substrate as microwave packaging meterial, we can integrate FETs and HBTs for multifunction MMIC's and OEIC's
본 논문은 화합물 반도체 소자와 패키지분야에서 세가지 주제를 다루었다. 하나는 큰 저항변화를 가지는 능동저항이고 두번째는 InGaP/GaAs 이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT), 마지막으로 산화된 다공성 기판위에 여러 칩의 집적에 관한 내용이다.
선택적 유기금속 화학 증착법(Selective MOCVD)을 이용하여 $SiO_2$ stripes 의 갯수에 의해 저항값을 조절하는 새로운 형태의 능동저항이 개발되었다. 채널층의 식각 시간이 stripe 당 저항값을 결정하고 총 $SiO_2$ stripe 갯수가 저항값을 결정한다. 50초 식각후 2개의 stripe에 대해 1200Ω의 저항값이 나왔다. 따라서 stripe 하나당 저항값은 600Ω이 된다. 만일 stripe의 갯수가 증가한다면 직렬연결에 의해 저항값은 증가할 것이다. 이 구조는 게이트가 없는 FECFET 구조이기 때문에 빛이 비추어 주면 FET와 같이 동작한다 10μW의 빛강도에 대해 1mA의 전류값을 갖고 4GHz에서 전류이득이 약 -1dB을 얻었다.
InGaP/GaAs HBTs는 높은 전력과 작은 phase noise 응용에 적합하다. 이것은 AlGaAs/GaAs HBT 와 비교해 이미터와 베이스에서 선택적 식각율을 가지고 있으며 높은 $\DeltaE_v$와 낮은 $\DeltaE_c$을 갖는다. 제작결과 2개의 핑거와 1.5x10μm의 이미터를 갖는 소자로부터 전류이득 45, 차단주파수($f_т$)18GHz, 최대공진주파수($f_{max}$)15GHz을 얻었다. 실리콘라이트나이드 평탄화공정으로 베이스와 켈렉터 캐패시터가 감소하는 새로운 구조의 이종접합 바이폴라를 제안했다. 이 구조는 베이스 메탈중 일부는 반도체층위에 일부는 실리콘라이트나이드 위에 있게 된다. 기존 구조와 비교해서 새로운 구조는 450%의 베이스 켈렉터 캐패시터의 감소가 있고 77%의 차단주파수 증가, 77%의 최대공진주파수 증가가 있었다. 새로운 공정은 베이스 켈렉터 캐패시터를 줄이고 이미터 면적이 작은 고성능 소자에 적합하다.
같은 기판위에 이종접합 바이폴라 트랜지스터와 전계효과 트랜지스터의 집적은 다기능 마이크로파 집적회로 개발에 응용될 수 있는 가장 도전적인 이슈중에 하나이다. 이종접합 바이폴라 트랜지스터와 전계효과 트랜지스터는 성능의 여러면에서 상호 보완적인 관계를 가지고 있으며 MMIC 와 OEIC 분야에서 돌파구가 될 것으로 기대된다. 여러 칩을 혼합하여 패키징하기위한 기판 물질로서 산화된 다공성 실리콘 기판은 작은 소산 값과 화합법 증착법에 비해 작은 비용과 시간으로 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 마이크로파 주파수 영역에서 적은 유전 손실을 가지고 RF 소자로 높은 Q(quality factor)을 갖는 인덕터와 작은 반사, 삽입 손실을 가지는 coplanar waveguide을 제작할 수 있다.
OPS 기판위에 HBT, FET 그리고 LED 을 직접하여 LED 구동 증폭기를 제작하였다. 이것은 바이어스가 linear하고 15GHz에서 5dB의 전류 이득을 갖는다. LUFET 구조의 downconversion 믹서를 제작했다. FETs는 제작되어 OPS 기판위에 epoxy에 의해 붙여지고 와이어 본딩에 의해 패드에 연결된다. 변환 손실이 8dB 이고 입력 1dB compression 이 -9dB 이다. 마이크로파패키징 물질로 OPS 기판을 사용하여 다기능 MMIC 와 OEIC 을 위한 FET 와 HBT 의 집적이 가능하게 되었다.
