Increasing demands for optical communication systems have led to the development of electrical analog/digital circuits for an ultra-fast operation. In these applications, the development of III-V semiconductor electronics has been motivated by their unique material-related properties relative to silicon. Although these III-V devices show very attractive merits, many technical challenges (e.g., the aggressive device scaling, the extremely high-scale integration) need to be overcome compared with the most mature Si-based devices. Accordingly, it has been increasingly clear that the future of III-V electronics depends on heterogeneous integration of compound semiconductors with silicon.
Among III-V devices for high-speed optical communication systems, the RTD-based MMICs exploiting the pico-second level switching time as well as unique negative differential resistance (NDR) characteristics of resonant tunneling diodes (RTDs) have proven to be one of the most promising candidates for future high-speed/low-power analog/digital circuits, which satisfy the requirements of high-speed operation, reduced circuit complexity and low power dissipation.
In this thesis, the flip-chip-bonding technology possible to apply to the current RTD-based MMIC technology have been developed by the own technology for the heterogeneous RTD-based MMICs which will become applicable for future high speed and low power analog/digital applications.
Firstly, the flip-chip-bonding technology using the eutectic Au/Sn solder bump is developed, which is suitable for the current InP-based RTD MMIC technology. The fabricated Au/Sn bumps have the height higher than 20 μm to minimize the chip detuning effect, which changes the electrical characteristics of the elements on the chip due to the flip-chip-bonding. The developed flip-chip-bonding technology shows flip-chip-bonding results with the gap of 20 μm between a chip and a substrate.
Secondly, high-frequency characteristics of the flip-chip interconnect are investigated. CPW lines under the same structural conditions such as the InP-based RTD MMIC technology are designed and fabricated. The fabricated CPW line has the characteristic impedance of 57 Ω and shows low insertion (<-0.2 dB at 20 GHz), reflection loss (<-18 dB at 20 GHz), attenuation performance of 0.1 dB/mm, and a effective dielectric constant of 11.1. The flip-chip bonded CPW lines are fabricated by using the CPW line with the characteristic impedance of 57 Ω. The CPW line with the flip-chip interconnects shows almost the same performance up to 40 GHz compared with the CPW line without the flip-chip interconnects. Next, Parameters of the equivalent circuit model of the flip-chip interconnects are extracted by using the measured results of the flip-chip bonded CPW line. The equivalent circuit model of the flip-chip interconnect has 11 fF of shunt capacitance, 20 pH of series inductance, and 30 mΩ of series resistance. The simulated results by using the equivalent circuit model of the flip-chip interconnect show good agreements up to 40 GHz compared with the measured results.
Finally, the characterization of the flip-chip bonded RTD fabricated by the developed flip-chip-bonding technology is performed. The DC characteristic of the flip-chip bonded RTD shows almost the same peak voltage, valley voltage compared with those of the conventional RTDs. Next, the RF characteristic of the flip-chip bonded RTD is investigated. The small signal modeling of the conventional RTD is performed. By using the extracted model, the simulated results of the flip-chip bonded RTD with the flip-chip interconnects show good agreements with the measured results up to 40 GHz.
반도체 소자가 처음 개발된 이 후, 보다 빠른 소자와 회로를 개발하고자 하는 노력은 지금까지도 끊임없이 계속되고 있다. 그 중에서도 특히 광통신 시스템 시장이 커짐에 따라 보다 더 넓은 bandwidth, 그리고 더 빠른 속도의 광통신 시스템에 관한 연구가 활발히 진행 되어 왔다. 이러한 초고속 통신 시스템을 구현하기 위해서 Intel, IBM, Infineon 등을 필두로 하는 세계적인 선진기업에서는 Si 기반의 CMOS 소자의 개발에 지속적인 투자를 하고 있다. 이를 바탕으로 CMOS 소자의 탁월한 고집적/저전력 특성에 scaling-down을 통한 고속 특성까지도 확보하여 경쟁력을 높이고 있다. 한편으로는 기본적으로 고주파 특성에서 우수한 장점을 가지고 있는 InP 기반의 HEMT, HBT 등의 III-V 화합물 반도체를 이용한 기술 또한 활발하게 진행되고 있다.
이러한 III-V 화합물 반도체는 narrow bandgap(e.g., InP), wide bandgap(e.g., GaN, SiC, GaP)과 같은 물질을 사용함으로써 낮은 operating voltage, 더 높은 breakdown voltage, 뛰어난 thermal conductivity, direct bandgap optical transition 등의 특성을 가지고 있어, 광통신 시스템 구현을 위한 많은 디지털/아날로그 회로 분야에 많이 활용되고 있다. 그럼에도 불구하고 III-V 반도체들이 현재까지 가장 많이 사용되고 있는Si반도체들을 대체하지 못하는 것은 극단적인 device scaling, 초고집적도 등과 같은 Si 기반 반도체들의 장점을 취하고 있지 못하고 있기 때문이다. 이러한 상황에서 III-V 반도체들이 가지는 고유의 물질적 특성을 더욱더 활용하기 위하여 Si 기반 반도체들과의 결합을 추구하는 heterogeneous integration연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 미국의 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)에서는 COSMOS(Compound Semiconductor Materials On Silicon) program을 통하여 III-V 반도체들과 Si 기반의 반도체들의 heterogeneous integration을 여러 가지 방법을 통하여 개발하고 있으며, 특히 InP 기반의 HEMT, HBT 등을 이용한 디지털/아날로그 회로 분야에 집중적인 연구를 수행하고 있는 실정이다. 앞서 말한 InP 기반의 HEMT, HBT 이외에RTD(Resonant Tunneling Diode)의 경우에는 소자 고유의 상온동작 및 THz 급의 우수한 스위칭 특성을 바탕으로 안정적인 초고속 회로동작 특성을 갖는다. 그리고 낮은 전압에서의 NDR (Negative Differential Resistance) 특성으로 인하여 기존 회로의 복잡도가 감소되고 이에 따른 interconnection line 및 파워소모 문제가 개선되는 탁월한 우수성을 갖는다. 이러한 특성에 따라서 InP 물질을 기반으로 하는 RTD 기반 디지털/아날로그 회로는 차세대 초고속/저전력 회로 응용에 있어서 유망한 분야 중 하나가 되고 있고, 이를 개발하기 위하여 본 연구실을 포함한 세계 선두 그룹들은 집중적인 연구를 수행해 왔다.
이러한 RTD 기반의 디지털/아날로그 MMIC 회로들은 RTD가 가지는 고유의 특성으로 인해서 성능 향상에 매우 유리하며, 따라서 RTD와 다른 소자들과의 결합을 통한 heterogeneous MMIC 회로의 개발이 필요한 실정이다. 현재 세계 선진 기업에서 연구 중인heterogeneous integration 개발 방법 중에는 기존의 flip-chip-bonding 기술을 이용하여 heterogeneous integrated MMIC를 개발하는 방법이 있다. 따라서 RTD 기반의 heterogeneous MMIC를 개발하기 위하여 본 연구에서는 현재 연구실에서 사용하고 있는 InP-based RTD/HBT MMIC 기술에 접목 가능하며 동시에 high-frequency에서 안정적으로 동작할 수 있는 flip-chip-bonding 기술을 개발하고자 한다. 그리고 이를 이용하여 RTD를 flip-chip-bonding 했을 때의 영향을 분석하여, 추후 heterogeneous MMIC에 접목하였을 때의 가능성을 연구하고자 한다.
