In this thesis, InP/InGaAs PIN diode-based single-bit/4-bit phase shifters operating at a millimeter-wave band have been proposed and demonstrated, which are implemented by using the III-V semiconductor fabrication facilities at KAIST.
In recent years, there have been growing interests in the development of high-frequency switching devices for the wide range of wireless communication applications. Among various kinds of them, PIN diodes are key components which obtain the switching and the variable resistance functions. PIN diodes have lower $R_{on}$ and $C_{off}$ than those of HEMTs. Especially, InP/InGaAs PIN diodes have the material-related excellent properties such as high electron mobility, low turn-on voltage, and high cutoff-frequency. Because of these characteristics, low insertion loss and high isolation can be achieved up to a millimeter-wave band. Since these are the required performances for the high-frequency switching functions, PIN diodes are widely used in RF and millimeter-wave ICs such as switches, phase shifters, and attenuators.
In this work, InP/InGaAs PIN diodes and passive devices including MIM capacitors, spiral inductors, and TFMS (Thin Film MicroStrip-line) have been fabricated and characterized. Based on the equivalent circuits, the modeling information of each device was obtained up to 50 GHz for the simulation of phase shifters. The fabricated InP/InGaAs PIN diode showed 1.6 Ω of on-resistance and 19 fF of off-capacitance corresponding to the switching cutoff-frequency of 5.23 THz. A 2,000 $\AA$ of SiNx dielectric layer was deposited to make MIM capacitors with a capacitance value of $240 pF/mm^2$. A 20,000 $\AA$ of top metal was evaporated to form spiral inductors. A top metal, a dielectric layer and the bottom-ground plane form the microstrip-line. A 6 μm of the distance between the top metal and the ground-plane as well as a 15.4 μm of the width enable the microstrip-line to maintain the characteristic impedance of 50 Ω.
Next, single-bit/4-bit phase shifters operating at the center frequency of 45 GHz have been designed, simulated, and analyzed with the established device library. The switched-line topology using a TFMS (Thin Film MicroStrip line) has been selected. Five single-bit (180°, 90°, 45°, 22.5°, and 11.25°) phase shifters and a 4-bit phase shifter have been simulated by using ADS (Advanced Design System) successfully.
Based on the simulation results, the single-bit/4-bit phase shifters have been fabricated by using a BCB (benzocyclobutene)-based multi-layer MMIC technology. The multi-layer structure and the meandered TFMS effectively reduce the chip sizes of the phase shifters. All of the fabricated single-bit phase shifters demonstrated within 3.1 dB of insertion loss, better than 10 dB of input return loss, and smaller than 5.9° of phase error at the frequency range of 46 to 49 GHz. Though the center frequency has been changed from 45 GHz (simulated) to 47.5 GHz (measured), the simulated and measured results are well in agreements. In case of the 4-bit phase shifter, less than 6 dB of insertion loss, better than 10 dB of input return loss, and smaller than 7.8° of RMS phase error have been obtained at the frequency range of 46 to 49 GHz. The simulated and the measured results show good agreements with the change of the center frequency from 45 GHz (simulated) to 47.5 GHz (measured). The performance achieved in this work indicates that the fabricated phase shifters using InP/InGaAs PIN diodes with a BCB-based multi-layer fabrication technology are very promising and applicable to MMIC control circuits.
최근 들어 다양한 무선통신분야에서 사용되는 고주파 switching 소자의 개발에 대한 관심이 증가하고 있다. 이중에 PIN diode는 경쟁기술인 HEMT 대비 낮은 on-state resistance와 낮은 off-state capacitance을 가져 고주파에서 우수한 switching 성능을 보인다. 특히 InP/InGaAs 기반의 PIN diode는 높은 전자이동도, 낮은 turn-on voltage 그리고 높은 cutoff frequency와 같은 우수한 물질자체에서 비롯되는 특성을 가진다. 이러한 특성에 의하여 밀리미터파 대역까지 낮은 삽입손실, 높은 격리특성 등의 우수한 스위치 특성을 나타낸다. 이와 같은 장점으로 인하여 PIN diode는 스위치, 위상 변위기, 감쇄기 등의 RF 회로에 주로 사용된다.
위상변위기는 위상배열안테나 및 레이더 등의 시스템 내 T/R module에 사용되어 방사되는 빔의 위상을 원하는 만큼 제어하는 회로이다. 인공위성 및 군사용 감시정찰분야에 주로 사용된다. 특히 인공위성의 경우 위성 1대당 수천 개 이상의 위상변위기가 사용되기 때문에 고성능 및 저 면적으로 이를 구현하는 것이 매우 중요하다. 또한 관련분야 기술의 발전으로 Ka-band 이상의 밀리미터파 대역에서 동작하는 위상변위기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 InP/InGaAs PIN diode을 이용하여 밀리미터파 대역에서 동작하는 단위비트 및 4 비트 위상변위기를 제안하였다. 이는 학교 내 자체 화합물반도체 공정시설을 이용하여 제작되었다. MIM capacitor, spiral inductor, TFMS (Thin Film Microstrip-line) 등의 수동소자와 PIN diode을 제작하였고 측정 및 분석을 하였다. 상기 소자의 등가회로를 이용하여 50 GHz까지 모델링 정보를 구축하였다. 제작한 10 μm × 10 μm 크기 (p-metal 크기)의 PIN diode는 1.6 Ω의 on-resistance와 19 fF의 off-capacitance값이 측정되어 5.23 THz의 cutoff-frequency가 계산되었다. 또한 2,000 $\AA$의 SiNx의 유전막을 증착하여 $240 pF/mm^2$ 의 capacitance값을 갖는 MIM capacitor를 제작하였다. 20,000 $\AA$ 두께의 금속 (Ti/Au)를 공정의 마지막 단계에서 증착하여 spiral inductor을 제작하였다. 상위금속선과 유전막 그리고 접지면은 마이크로 스트립 라인을 구성하는데 50 Ω의 특성 임피던스를 유지하여 적은 삽입손실을 가능하게 한다.
이와 같이 구축된 모델링 정보를 이용하여 45 GHz의 중심주파수 에서 동작하는 단위비트 및 4 비트의 위상변위기를 설계하였다. 박막 형 마이크로 스트립 라인 (TFMS)을 사용한 전송선 교환방식의 회로를 적용하였다. ADS 시뮬레이터를 이용하여 5개의 단위비트 (180°, 90°, 45°, 22.5°, 11.25°) 위상변위기와 1개의 4 비트 위상변위기 을 디자인하였다.
상기에서 설계한 위상변위기를 BCB기반의 다층구조 공정기술을 적용하여 직접 제작하고 측정하였다. 다층구조와 meandered구조의 TFMS은 효과적으로 회로의 크기를 감소시켰다. 제작한 단위비트 위상변위기는 46 GHz에서부터 49 GHz사이의 주파수범위에서 3.1 dB 이내의 삽입손실, 10 dB이상의 반사손실 그리고 5.9° 의 위상에러 특성을 보인다. 중심주파수가 45 GHz (설계)에서 47.5 GHz (측정)으로 이동하였지만 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 서로 잘 일치한다. 4 비트 위상변위기의 경우 동일주파수 대역에서 6 dB이내의 삽입손실, 10 dB이상의 반사손실 그리고 7.8° 이내의 RMS 위상에러 특성이 측정되었다. 역시 중심주파수가 설계한 45 GHz 에서 47.5 GHz으로 이동하였지만 시뮬레이션과 측정결과가 잘 일치한다. 이번 연구 결과는 BCB기반의 다층구조 공정기술과 InP/InGaAs PIN diode을 이용한 위상변위기의 우수성을 입증하는 것으로 다양한 MMIC의 제어회로에 사용될 수 있다.
