In this thesis, broadband compact InP/InGaAs PIN switches using a 3-D MMIC technology has been proposed and demonstrated, which is implemented by using III-V semiconductor fabrication facility in KAIST.
Firstly, the PIN diodes are important devices which are widely used in RF and millimeter-wave ICs, such as switches, phase shifters, attenuators and modulators. The required performances of the PIN diodes in microwave and communication systems are low insertion loss, high isolation, high power handling capability, low power consumption and high cut-off frequency. Especially, in order to meet these requirements, the InP/InGaAs PIN diodes have recently a great interest due to the advantages of the material-related higher electron mobility and lower turn-on voltage. In this work, we demonstrate the design rule of layer structure for the optimized InP/InGaAs PIN diode. To study the effects of the PIN diode design parameters on the switch performance, the overall PIN diode structure is simulated by using 2-D CAD simulator (Silvaco). The optimized PIN diode shows the better performance of the insertion loss and isolation over the measured frequency range. The higher $p^+/n^+$ doping reduce the on-state resistance $(R_{on})$ and the longer intrinsic layer thickness reduces the off-state capacitance $(C_{off})$. The obtained $R_{on}$ and $C_{off}$ of the optimized PIN diodes are 1.6 Ω and 19 fF which correspond to the switching cutoff frequency of 5.23 THz. The breakdown characteristic of the optimized PIN diode is enhanced by the longer intrinsic layer thickness. In addition, the passive elements library (thin-film resistor, MIM capacitor, thin-film microstrip line) is constructed.
The next work, a new compact 3-D MMIC 90° hybrid coupler, which can achieve both size reduction and RF performance enhancement for the MMIC application. The 90° hybrid coupler is a fundamental component which is used in various MMICs, such as balanced mixers, phase shifters and push-pull amplifiers. The most important issue of the hybrid coupler in MMIC applications is the chip area which is directly related to the chip cost. The proposed new 90° hybrid coupler is realized using the inverted and non-inverted thin-film microstrip lines with the shared ground plane, and is optimized for the reduction of chip area and coupling effects. To design and analyze the proposed multi-layer structures, 3-D electro-magnetic simulations have been performed. The 3-D MMIC technology, which uses BCB-film layers on top of semi-insulating InP wafer, is successfully developed. The fabricated 3-D 90° hybrid coupler using the multi-layer microstrip lines has shown a size reduction of 48 % in the circuit area (0.4 × 0.49 ㎟) at 15 GHz. In order to analyze the designed performance of the proposed hybrid coupler, the insertion loss, isolation and phase characteristic of the fabricated circuit were compared with the simulated results.
Finally, millimeter-wave switches are key components in communication systems as developing front-end transmitter-receiver modules. To realize monolithic microwave integrated circuit (MMIC) switches with low-insertion loss, high isolation and high power handling capability, an InP-based PIN diode is a great candidate for millimeter-wave applications. The other important issue in MMIC design is the chip size which is directly related to chip cost. Hence, a 3-D MMIC technology is particularly attractive for realizing the embedded components. In this work we present the design and fabrication of a broadband InGaAs SPST/SPDT PIN switch based on a developed benzocyclobutene (BCB)-based multi-layer technology. The multi-layer structure and meandered microstrip line configuration effectively reduce the chip area of the SPST switch to 0.92 × 0.70 ㎟ and that of SPDT switch to 1.14 × 0.86 ㎟. The InGaAs SPST PIN switch demonstrated insertion loss of 1.3 dB and high isolation of 31 dB @ 20 GHz. In addition, the low insertion loss of 2.1 dB and high isolation of 36 dB @ 20 GHz were obtained from the fabricated InGaAs SPDT PIN switch. The good RF performance and broadband characteristics have been achieved from the fabricated InGaAs SPST/SPDT PIN switch. These results indicated that the proposed InGaAs PIN switch is very promising for high density and wideband MMIC applications.
본 연구에서는 초고속 전자소자로서 유망한 InGaAs PIN diode를 이용한 switch MMIC를 제작하는 방법에 대해서 논의하였다. KAIST 자체 반도체 공정 기술을 이용하여 InP/InGaAs PIN diode와 MIM capacitors, thin-film resistor, thin-film microstrip line를 제작하고 측정하였다. 이러한 개별 소자를 바탕으로 3차원 multi-layer 기술을 이용하여 PIN switch를 설계하고 실제 공정 과정을 완성하고 제작하였다. 또한 multi-layer 공정 기술을 바탕으로 하여 90° hybrid coupler를 3차원 simulator, HFSS를 이용하여 설계하고 제작하였다.
구체적으로 살펴보면, InP/InGaAs PIN diode의 경우 여러 가지 요인을 고려하여 2-D Silvaco simulator를 이용하여 최적의 epi-structure를 구성하고 이를 제작하여 일반적인 HBT B-C junction으로 만든 InGaAs PIN diode와 비교하여 그 우수성을 확인하였다. 제작된 InGaAs PIN diode는 switching cutoff frequency가 5.23 THz, turn-on voltage는 0.39 V, breakdown voltage는 34 V로 측정되었다. 다음으로 RF MMIC 응용을 위해서 passive element library가 구축되었다. MIM capacitor의 경우 $SiN_x$ 를 3,000 $\AA$ deposition 하여 $162 pF/mm^2$ 의 단위 면적당 capacitance값을 얻었다. 다음으로 thin film resistor의 경우 NiCr을 300 $\AA$ evaporation하여 27.75 $Ω/\square$ 의 sheet resistance 값을 얻었다. Thin film microstrip line의 경우 3-D HFSS simulation을 통해서 그 특성을 먼저 파악하여 제작된 meandered thin-film microstrip line과 비교하였는데 비교적 잘 일치하는 결과를 얻었다. Thin film microstrip line의 경우 50 Ω matching을 위하여 6 μm의 BCB 높이와 15.5 μm의 signal line 폭을 선택하였다.
다음으로 3차원 MMIC 기술을 발전시키기 위하여 새로운 형태의 저 적 90° hybrid coupler를 제작하였다. 면적을 줄이기 위하여 기본적으로 meandered transmission line 형태를 취하였으며, 가운데 ground plane을 두 고 위아래로 thin film microstrip line과 inverted microstrip line을 두어 면적을 반으로 줄이는 형태를 사용하였다. 이를 통해서 BCB 기반의 3-D multi-layer 기술을 확보하고 제안된 구조의 실현을 통해 그 가능성을 파악할 수 있었다. 제작된 hybrid coupler는 insertion loss가 -4.2 dB/-4.9 dB로 측정되었으며, isolation은 -15.5 dB 이상이고 phase difference는 90 ± 3°로 나타났다. 그리고 면적은 $0.4 × 0.49 mm^2$ 로 일반적인 단평면 직선 라인 hybrid coupler에 비해서는 1/50로 감소하고 MIM capacitor를 이용한 hybrid coupler에 비해 30 % 가량 면적이 감소하였다.
마지막으로 이제까지 언급한 InP/InGaAs PIN diode, passive element library, 3-D MMIC 기술을 바탕으로 광대역 InGaAs SPST/SPDT MMIC PIN switch를 제작하였다. 제작된 switch는 isolation 특성을 좋게 하기 위해서 series-shunt-shunt 배치를 사용하였다. 측정 결과, SPDT switch의 경우 insertion loss는 -1.7 dB, isolation은 -41 dB, 면적은 $1.2 × 0.86 mm^2$ 으로 모든 device를 집적화하였음에도 불구하고 40 % 이상의 면적을 감소시켰다. 이것은 제작된 InP/InGaAs PIN switch가 고집적 고성능 MMIC 응용에 큰 가능성을 가지고 있다는 것을 말한다.
앞으로 해야 할 많은 일은 먼저, switch 특성을 나타내는 다른 요소인 power handling capability, switching time analysis 등에 대해서 측정 및 분석이 이루어 져야 한다. 그리고 현재는 40 GHz까지의 switch 특성을 확인하였지만 보다 높은 mmW band까지의 특성에 대한 분석이 이루어져야 할 것이다. 또한 이제까지 BCB 기반의 3-D multi-layer 기술을 바탕으로 하여 제작한 소자와 회로에 대해서 논의하였는데 이를 바탕으로 하여 앞으로 보다 발전된 3-D MMIC 기술을 발전이 요구된다. 즉, MIM capacitor에서 존재하는 insertion loss를 보다 줄이는 방법과 현재는 2 BCB layers만을 형성하였지만 앞으로는 3층 이상으로 발전시켜 보다 compact하고 많은 소자를 넣을 수 있는 기술 등에 대한 연구가 필요하다. 그리고 InGaAs PIN diode를 PIN switch MMIC 회로에 적용하여 그 우수성을 입증하였으므로, phase shifter 또는 attenuator 등의 다른 microwave 회로에 적용하는 것이 필요하다. 또한 고주파 특성이 우수한 3 terminal 소자인 HBT와의 integration을 통해서 보다 우수하며 다양한 특성을 가진 회로를 제작할 수도 있을 것으로 보인다.
