In this thesis, micro/millimeter-wave band III-V PIN diode based MMICs have been proposed and im-plemented based on a BCB-based multi-layer technology.
Microwave and millimeter-wave control ICs such as a switch, a phase shifter, and an attenuator in the phased-array systems are crucial components, which are used for changing the path, phase, and amplitude of the signal. The DC and RF characteristics of the switching device are major factors affecting the control IC performance. An InGaAs PIN-diode, which has a high cut-off frequency as a two-terminal device based on the excellent transport-related material properties, can be considered very promising for high-performance MMIC applications in the micro/millimeter-wave band. In addition, the high-power and high-linearity characteristics make a GaN PIN-diode suitable for high-power microwave applications.
In order to design the III-V PIN-diode based MMICs, the InGaAs and GaN PIN-diodes have been fabricated and characterized. In addition, the passive devices, such as a thin-film resistor, a MIM capacitor, a spiral inductor and a thin-film microstrip line, have been fabricated. A BCB-based multi-layer IC technology has been developed to implement the III-V PIN-diode based MMICs. The integration scheme based on the proposed InGaAs and GaN-based MMIC technology can offer the reduced chip size of MMICs, while providing the inherently advantageous material properties for high-frequency/high-power operation.
In this work, broadband InGaAs PIN diode based traveling-wave switches are proposed. A new thin-film microstrip line structure integrated with InGaAs PIN diodes has been used to enhance the switch perfor-mance at higher frequencies. The developed InGaAs PIN switch using a resistive bias network has an insertion loss of less than 3.2 dB and an isolation of greater than 40 dB in a broadband frequency range from 25 GHz to 95 GHz. The BCB-based multi-layer technology effectively reduces the chip size of the fabricated SPDT MMIC switch to 1.05 × 0.58 mm2. In addition, the new GaN PIN-diode based switches using a BCB-based multi-layer technology are proposed and designed. The developed series-shunt-shunt type GaN PIN switch has an insertion loss of less than 3.7 dB and an isolation of greater than 30 dB in a broadband frequency range from 10 GHz to 17 GHz.
Next, a Ka-band 5-bit MMIC phase shifter using InGaAs PIN switching diodes is proposed. In order to achieve low insertion loss and good phase shifting characteristics at Ka-band, the switched reactance type PIN-diode phase shifter topology has been employed. The fabricated InGaAs PIN phase shifter with a small chip size of 2.17 × 1.08 mm2 has demonstrated good phase shifting performance of the rms phase error less than 5.6° at a frequency range from 26 to 30 GHz. In addition, a fully integrated W-band 4-bit MMIC phase shifter with InGaAs PIN diodes is proposed. In order to achieve low insertion loss and good phase shifting characteris-tics at W-band frequencies, the topology based on a switched transmission line is employed using a thin-film microstrip line structure. The fabricated phase shifter has demonstrated good performances such as an insertion loss less than 12.7 dB at the frequency range of 81 to 85 GHz with a small intrinsic chip size of 1.54 mm2.
A broadband compact InGaAs PIN 5-bit digital attenuator using a π-type resistive network is demon-strated. The proposed 5-bit digital attenuator is composed of π-type resistive networks for good input/output matching and accurate attenuation characteristics. The fabricated attenuator MMIC has good performances such as an insertion loss less than 11.5 dB and a small rms amplitude error of 2.3 dB at the broadband frequency range of 7 to 40 GHz. In addition, the overall chip size, which is significantly reduced by using the developed multilayer structure, is only 1.34 mm2.
These results of the proposed micro/millimeter-wave band III-V PIN diode based MMICs show the po-tential for the future high-frequency and high-performance radar system applications.
본 논문에서는 BCB 기반의 다층구조 제작기술을 이용한 마이크로/밀리미터파 대역 III-V 핀 다이오드 기반 MMIC의 개발에 대해서 논의했다. 위상배열 안테나 시스템에서 마이크로/밀리미터파 대역 switch, phase shifter 그리고 attenuator 등의 제어회로는 신호의 경로, 위상 그리고 진폭 등을 조절하는 데 사용하는 핵심회로이다. 스위칭 소자의 DC 및 RF 특성은 이러한 제어회로의 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소이다. 먼저, 본 연구에서 고주파 대역 스위칭 소자로 이용된 InGaAs PIN diode는 InGaAs 물질 특성상 큰 mobility와 작은 electron mass를 가지고 있어 고주파/고성능 switching 소자로 초고주파대역 고성능 MMIC 개발에 응용 가능성이 크다. 또한 고출력 스위칭 소자로 이용된 GaN PIN diode는 GaN 물질이 큰 saturation velocity와 높은 breakdown field를 가지고 있어 높은 linearity 및 큰 breakdown voltage 특성을 갖는 switching 소자로 고주파대역 고출력 MMIC 개발에 응용이 가능하다.
먼저, III-V PIN diode 기반의 MMIC를 디자인하고 simulation하기 위해, InGaAs PIN diode와 GaN PIN diode 각각의 DC와 RF 측정을 통해 device modeling 및 특성 분석을 수행하였다. 또한 고성능 MMIC 개발을 위해 필수적인 thin-film microstrip line, thin-film resistor, spiral inductor와 MIM capacitor등의 수동소자에 대해 다양한 사이즈별로 modeling을 진행하였다. 이와 같이 구축된 개별 소자기술을 바탕으로 고성능 MMIC를 구현하기 위해 능동/수동 소자를 wafer상에 집적하는 BCB 기반의 다층구조 제작 기술을 확립하였다. 개발된 BCB 기반의 다층구조 제작 기술은 회로의 기생성분을 최소화하고 높은 집적도를 가져 본 연구의 주된 목표인 고성능/고집적 MMIC 개발을 가능하게 하였다.
앞서 개발된 공정기술 및 소자 기술을 바탕으로 위상배열 레이더 시스템 등에서 필수적인 제어회로인 초고주파/고성능 switch를 개발하였다. 광대역에서 우수한 RF 특성을 가지는 switch 회로를 구현하기 위해 InGaAs PIN diode기반의 traveling-wave switch가 제안되었다. InGaAs PIN diode 기반의 새로운 thin-film microstrip line 구조는 초고주파 대역에서 스위치 특성을 향상시켰다. 개발된 InGaAs PIN traveling-wave switch의 경우 25-95 GHz 대역에서 3.2 dB 보다 작은 insertion loss와 40 dB이상의 isolation 특성을 가졌으며, 1.05 × 0.58 mm2의 저 면적으로 구현하였다. 고주파/고출력 switch를 구현하기 위해 BCB 기반의 공정 기술을 바탕으로 GaN PIN diode기반의 switch회로가 제시되었다. 개발된 series-shunt-shunt type GaN PIN switch는 10-17 GHz 대역에서 3.7 dB 보다 작은 insertion loss와 30 dB 이상의 isolation, 52 dBm 이상의 IIP3 특성이 얻어졌다.
다음으로 위상배열 레이더 시스템에서 신호의 위상을 제어하여 방사되는 빔의 방사방향 등을 조절하는 고성능 phase shifter를 개발하였다. 먼저, InGaAs PIN diode를 이용하여 Ka 대역에서 동작하는 5-bit phase shifter가 제안되었다. Ka 대역에서 작은 insertion loss와 정확한 위상 변위 특성을 만족하기 위해서 switched reactance type phase shifter topology를 선택하였다. 제작된 InGaAs PIN diode 기반의 phase shifter는 2.17 × 1.08 mm2의 크기를 가지며 26-30 GHz 대역에서 7.8 dB 보다 작은 삽입손실과 5.6° 보다 작은 rms phase error등의 우수한 특성을 가졌다. 추가적으로 InGaAs PIN diode 기반 MMIC의 초고주파 특성을 입증하기 위해 W-band에서 동작하는 4-bit phase shifter를 제작하였다. 이를 위해 switched transmission line type phase shifter 회로를 제시하였는데 이는 초고주파 대역에서 정확한 위상 변위 특성을 얻을 수 있다. 제작된 InGaAs PIN diode 기반의 switched transmission line type phase shifter는 1.54 mm2의 저면적으로 구현되었고, 81-85 GHz 대역에서 12.7 dB 보다 작은 삽입손실과 8.2° 보다 작은 rms phase error 특성을 나타냈다.
마지막으로 신호의 크기를 조절하는 광대역 InGaAs PIN diode 기반의 attenuator를 개발하였다. 광대역에서 정확한 attenuation을 시키기 위해 π-type resistive network를 이용하였다. 개발된 InGaAs PIN diode 기반 π-type attenuator는 31 dB의 attenuation range를 가지며 7-40 GHz의 광 대역에서 11.5 dB 보다 작은 삽입손실과 2.35 dB보다 작은 amplitude error특성을 확보하였다.
고주파/고성능/고출력 특성등의 우수한 III-V PIN MMIC 연구 결과를 통하여 본 기술의 차세대 고성능 무선통신 및 레이더 시스템을 위한 응용 가능성을 확인하였다.
