Voltage controlled oscillators (VCOs) are essential component in RF communication systems. Stringent phase noise specifications and high frequency operation for high data rate communication have become challenging research topics. For low frequency applications below ten gigahertz, LC type VCOs have been frequently used due to their superior phase noise performance. As the operating frequency increases, distributed oscillators, which use phase delay, have been reported recently.
High-frequency circuits have been implemented in compound semiconductor technologies such as GaAs and InP. And CMOS has been avoided in RF systems due to its high noise figure, low transconductance, and low cutoff frequency. But, during last decade, dramatic development in CMOS technology made it possible for CMOS to be a strong candidate for RF systems from the motivation of system integration on a single chip. Nonetheless this motivation, CMOS is still tough for RF system applications. One of the reasons comes from low performance of CMOS passives. The lossy passives cause signal loss and noise generation, eventually degrade signal to noise ratio.
Inductor is one of most important components in RF system. It has robust thermal characteristics and excellent noise performance so that inductor has been widely used as load of amplifier and mixer, and resonator of oscillator. Unfortunately, it is not easy to acquire high quality inductor in CMOS process. CMOS usually low resistivity silicon substrate to block latch-up. This causes significant signal loss through silicon. Another reason for low Q of inductor comes from limited metal thickness of CMOS inductor. These reasons live with CMOS itself. There is similar phenomenon in CMOS transmission lines.
As an alternative technology, MEMS technology has become a strong candidate to breakthrough the limits of CMOS. Thick metal and low substrate loss can be easily acquired from MEMS process by employing electroplating, and substrate etching process. However, bulk micromachining is hard to be compatible with CMOS process so it has to be avoided. We proposed a surface micromachining technology which needs not to etch silicon and can achieve high isolation of substrate coupling. The key feature of the technology is suspension of structure instead of etch of substrate so that the proposed process is fully CMOS compatible MEMS process. Very high Q inductor and low loss transmission line have been achieved from the proposed process. The fabricated inductors on standard silicon substrates show high Q-factors of up to 70 when operating in the multi-GHz frequency range. The fabricated transformers on the standard silicon substrate show the minimal insertion loss of 1.9 dB at 1 GHz. The insertion loss of fabricated transmission lines was less than 0.1 dB/mm at 18 GHz.
We have successfully integrated MEMS inductors on the top of the CMOS active circuits by employing low temperature post-CMOS processes. To the best of our knowledge, we are the first to construct a fully integrated VCO with air suspended MEMS inductors. 1 GHz, 2.6 GHz, and 5 GHz integrated VCOs with MEMS inductors are fabricated and measured. The fabricated MEMS VCOs are compared with bond wire VCOs and CMOS VCOs with same core circuit. The performance of MEMS VCOs shows similar performance to bond wire VCO and superior to CMOS VCO by more than 6 dB in phase noise.
At high frequency more than 10 GHz, transconductance of CMOS degrades. Parasitic effect becomes dominant and LC tank cannot be scaled down at a same rate, which limits the use of LC VCOs at high frequency. To overcome the limitation of LC oscillators alternative oscillators such as distributed oscillators have been introduced. We devised a new distributed oscillator to improve phase noise performance without additional power consumption. The devised circuit scheme uses the filtering effect of coupled transmission line which is generally avoided in digital and RF circuit. The coupled distributed oscillator is implemented and it shows the improved phase noise characteristics by more than 6 dB.
By using CMOS compatible MEMS process, fully integrated RF VCOs operating from 1GHz up to 15 GHz have been designed, fabricated, and measured. We show that the high quality and low loss characteristics of MEMS passives improved the phase noise performance in VCOs. Although there remain problems in proposed MEMS passives, such as stability, robustness, reliability, and packaging, these issues can be solved by employing package in process concept which will be discussed in further work.
전압 제어 발진기는 RF 시스템에서 필수 부품이다. 무선 통신에서 요구하는 엄격한 위상 잡음 사양을 만족시키는 것과 전압 제어 발진기의 고주파 대역으로의 응용으로 최근 많은 연구가 되고 있다. 10 GHz 보다 낮은 주파수에서는 일반적으로 위상 잡음 특성이 우수한 LC 공진기 형의 VCO가 많이 사용되고 있으며 그 이상의 주파수에서는 분산 발진기 형태가 최근 보고되고 있다. 전통적으로 고주파 회로로는 GaAs 또는 InP과 같은 화합물 반도체가 주로 사용되었고 CMOS 공정의 경우는 낮은 transconductance와 높은 잡음 특성 때문에 회피되어왔었다. 하지만 지난 십 년간 CMOS 공정의 눈부신 발달은 시스템을 집적화 하려는 요구와 만나 CMOS를 고주파 회로에도 응용하려는 많은 노력을 만들어왔다. 하지만 아직까지 좋은 성능을 지닌 CMOS 수동 소자의 부재는 시스템 집적화의 큰 걸림돌이 되고 있다. 인덕터는 RF 시스템에서 가장 많이 사용되고 있는 수동 소자 중 하나로서 열적 및 잡음 특성이 우수하여 증폭기, 합성기 및 주파수 발생기 등으로 넓게 응용되고 있다. 하지만 기존의 CMOS 공정으로는 좋은 성능을 갖는 인덕터를 구현하기가 어렵다. 그 이유는 실리콘의 높은 전도성과 얇은 두께의 금속성은 인덕터의 품질값을 현저하게 떨어뜨리게 된다. 이러한 문제는 CMOS를 이용한 전송선에서도 동일하게 발생한다. 이에 대한 대안으로써 MEMS 기술이 하나의 강력한 대체 공정으로써 제안되고 있다. 전기 도금법 및 기판 식각 공정을 통해서 두꺼운 금속 배선과 낮은 기판 손실을 쉽게 얻을 수 있기 때문이다. 하지만 기존에 제안된 기판 식각 공정의 경우는 기존의 CMOS 공정과 쉽게 호환되기 쉽지 않기 때문에 사용의 제한을 받게 된다. 이에 본 연구에서 제안된 MEMS 구조는 기판을 식각하는 대신에 구조체를 기판에서 띄워서 제작함으로써 CMOS 공정과의 충분한 호환성을 가지는 동시에 기판 손실을 현저하게 줄일수 있는 방법이다. 이 방법을 통해서 70이상의 품질값을 갖는 인덕터와, 0.1 dB/mm 이하의 낮은 손실을 갖는 전송선을 개발하였다. 또한 우리는 CMOS 공정이 끝난 회로 위에 MEMS 인덕터를 집적화 하는데 성공하였다. 이것은 세계 최초의 MEMS 인덕터를 집적화하여 만든 전압제어 발진기이다. 여러 주파수 대역 (1 GHz, 2 GHz, 5 GHz)의 전압 제어 발진기를 MEMS 인덕터를 집적화하여 제작하고 측정하였다. 측정 결과 제작된 전압 제어 발진기는 높은 Q를 갖는 bond wire를 이용한 전압 제어 발진기와 유사한 특성을 가지고 CMOS 공정으로만 제작된 전압 제어 발진기에 비해서 위상 잡음 특성에 대해서 약 6 dB이상의 향상이 있었다. 10 GHz 이상의 높은 주파수에서는 CMOS의 transconductance가 떨어질 뿐만 아니라 기생성분들이 영향을 주기 시작해서 LC 공진기의 설계가 어렵게 된다. 이를 극복하기 위해서 분산 발진기 계념이 도입되었었다. 위상 잡음 특성을 향상시킬 수 있는 새로운 분산 발진기를 제안하였다. 제안된 분산 발진기의 특징은 결합 전송선의 주파수 필터링 효과를 이용하여 위상 잡음을 낮추는 것이다. 제안된 개념을 이용하여 제작된 분산 발진기는 기존의 분산 발진기에 비해서 약 6dB의 위상 잡음 특성의 향상을 보였다. 또한 MEMS 전송선을 이용한 분산 발진기도 제작되었다. 우리는 본 연구를 통해서 MEMS 수동 소자를 이용한 여러 주파수 발진기를 설 제, 제작 및 측정을 하였다. 제작된 주파수 발진기를 통해서 높은 품질 값과 낮은 손실을 갖는 MEMS 수동 소자가 집적된 주파수 발진기의 우수성을 보였다. 비록 신뢰성과 패키지등에서 해결해야 할 문제점이 있지만 이 부분도 조만간 해결되리라고 예상된다.
