M M I C

레이더의 주된 전자소자로는 수신기(receiver)와 송신기(transmitter)를 들 수 있다. 레이더 수신부는 마이크로파 입력신호를 받아서 IF 단으로 downconversion하는 RF단과 저주파에서 신호처리를 하는 IF 단으로 구성되어 있다. 이중 RF단은 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier : LNA), 혼합기(Mixer), 전압조절 발진기(Voltage-Controlled Oscillator : VCO)등으로 구성되어 있으며, 기존 마이크로파 회로들은 하이브리드 형태가 주를 이루고 있었다.

그러나 1980년대 들어 초고주파 반도체 기술의 급속한 발전에 힘입어 하이브리드 마이크로파 회로들이 점차 MMIC들로 대체되기 시작하였다.
레이더 부품의 MMIC화는 수신기부품에서 뿐만 아니라, 최근에는 송신기 부품에까지 파급되고 있다. 레이더용 Transmitter는 일반적으로 큰 출력을 요구하므로 과거에는 Magnetron, Klystron, TWT(Travelling Wave Tube)등을 사용하여왔으나 신뢰성에 문제가 있어 반도체를 이용한 SSPA(Solid State Power Amplifier) 의 사용이 늘고있는 추세이다. 1990년대 들어서는 SSPA역시 하이브리드 형태에서 MMIC 형태로 대체하고자 하는 연구들이 미국을 중심으로 활발하게 진행되고 있다.
이 글에서는 MMIC가 무엇이며 개요, 최근 동향 및 역사에 대하여 알아보고자 한다.

1.MMIC란 무엇인가?

MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)는 화합물 반도체의 응용 부품으로서 이동통신기기 시장에 급격히 확대되면서, 고주파 특성이 우수하고, 신호크기에 따른 특성변화가 적으며, RF단의 여러 소자들을 단일 칩으로 집적 가능하게한 정보통신용 부품으로서 향후 가장 유망한 통신 부품중 하나로서 부상하고 있는 부품이다.  

MMIC는 현재 레이더뿐만 아니라 위성통신 및 이동통신의 RF 부품으로 그 사용 영역이 넓어지고 있는 마이크로파 시스템의 핵심기술이다.
MMIC란 "Monolithic Microwave Integrated Circuits"의 약자로서 Monolithic 하다는 점에서 하이브리드 마이크로파 회로(Hybrid Microwave Integrated Circuits : HMIC)과는 차이가 있다.

Monolithic의 사전적인 의미는 "single rock", 즉 단일 기판이라는 뜻을 가진다. 그러므로 MMIC는 모든 능동소자와 수동소자들이 하나의 기판위에서 다 구현된 회로형태를 지칭하는 말이다.
일반적인 하이브리드 회로에서는 수동소자인 마이크로스트립라인, 캐패시터, 인덕터등은 테프론 같은 유전체 기판위에 구현되고 능동소자인 transistor는 반도체 상에 제작되어 surface mount 나 외이어 본딩 등의 방법을 통하여 수동소자와 연결하고 있다.

허나 MMIC에서는 능동소자의 기판으로 사용되는 반도체를 수동소자의 제작에도 그대로 이용하여 별도의 연결수단 없이 한 기판위에 마이크로파 회로 동작에 필요한 모든 RF소자를 구현한다. 제작 과정을 살펴보면 다음과 같다. 우선 캐패시터의 밑판으로 사용되는 첫 번째 금속을 기판위에 증착한다.

그 후 유전체로 사용될 Si3N4나, SiO2등을 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)등의 방법을 이용하여 수천 앵스트롬 (A)의 얇은 두께로 증착한 후 캐패시터의 윗판으로 쓰이는 두 번째 금속을 증착한다. 마지막으로 윗판과 평면형 feed 구조를 연결하기 위하여 3차원적 연결구조인 Airbridge를 제작한다.

캐패시터뿐아니라 기판의 위와 밑을 연결하는 Via Hole, 인덕터, 저항 등도 이러한 반도체 집적회로 공정기술을 이용하여 능동 소자의 기판위에 제작한다.



하이브리드 회로(HMIC)에 비한 MMIC의 장점을 열거하여 보면 다음과 같다. 우선 그 크기와 무게가 HMIC에 비하여 수십 배에서 수백배이상 작아지는 장점을 지닌다. 반도체 공정을 이용한 photolitho graphy의 해상도가 1㎛이하이므로 선폭 및 선간의 간격을 마이크로미터 단위로 작게 할 수 있다.

일 예로 마이크로스트립라인의 경우를 살펴보면 두께가 100㎛인 GaAs위에 50Ω의 특성 임피던스를 갖기 위한 라인의 선폭은 50㎛ 정도로서 HMIC의 일반적인 경우보다도 훨씬 얇은 선폭이 MMIC에서 사용된다.

선폭과 선 간격의 축소는 칩의 축소로 이어져 일반적인 MMIC 저잡음 증폭기의 크기는 수 ㎜2 정도이고 전력증폭기는 수십 ㎜2 정도로서 HMIC의 수십 분의 일에 불과하다. 휴대전화기 같은 경우 점차 경량화, 소량화 추세로 발전되고 있으므로 작은 칩 크기를 갖는 MMIC의 수요가 늘어날 것이 예상된다.

또한 생산 단가의 면에서 보더라도 칩의 크기는 중요한 의미를 지닌다. 칩의 크기가 작아질수록 한 웨이퍼에서 생산되는 칩의 개수가 늘어나므로 공정원가는 칩 크기에 반비례하여 줄어든다. 따라서 MMIC의 중요한 설계 사양 중의 하나는 칩의 크기이며 이를 줄이기 위한 여러 가지 설계기법이 연구되고 있다.

두 번째 MMIC의 장점으로는 와이어 본딩 등의 외부적인 연결수단을 최소화 할 수 있다는 점이다.
와이어 본딩이 줄어듦으로써 패키징 단가를 줄일 수 있을뿐더러 본드 와이어에서 기인하는 비반복성과 신뢰성 문제를 최소화 할 수 있다.

더 나가서 RF단에서는 본드 와이어를 쓰지 않는 MMIC기술은 평면형 마이크로파 회로의 가용주파수 대역을 밀리미터파 (30㎓ 이상)까지 확장해 놓았다. 본드 와이어 및 패키지의 기생효과로 인하여 HMIC들의 가용주파수 대역은 30㎓ 이하로 한정되어 있었으나 MMIC의 등장으로 인하여 밀리미터파에서도 평면구조의 회로가 가능하게 되었다.

세 번째로는 MMIC기술은 다기능 고집적 마이크로파 회로를 가능하게 하였다. 여러 가지 회로들을 한 기판위에 집적할 수 있으므로, 수신기나 송신기 등의 RF 단 전부를 원 칩으로 구현할 수 있게 하였다. 고집적 MMIC기술은 생산원가를 한층 더 절감할 수 있는 가능성을 제공하며 칩간의 연결에 의한 기생효과를 없앰으로써 평면형 마이크로파 회로의 가용 주파수 대역을 더욱 더 확장할 수 있게 하였다.

MMIC의 단점을 살펴보면 다음과 같다. 첫 번째로 HMIC와 달리 MMIC는 한번 제작하게 되면 튜닝이 불가능하므로 회로 catastrophic failure의 확률이 높을 수 있다. MMIC는 한번의 제작공정으로 많은 회로가 생산됨으로 회로당 생산원가는 낮으나 한번 제작비용은 HMIC에 비하여 훨씬 높은 편이다.

따라서 회로의 재설계에 따르는 비용이 높으므로 초기 회로 설계시 세심한 주의가 필요하다. MMIC 설계시에는 수동 소자 뿐 아니라 능동 소자들의 변화폭을 예상하여 이를 충분히 감안한 설계를 하여야 한다. 이를 위하여는 yield 및 sensitivity 해석법 등이 주로 사용된다.

두 번째 단점으로 소자간의 RF 커플링의 증가를 들 수 있다. 칩의 크기가 줄어듦으로써 소자들의 간격이 줄어들게 됨으로 crosstalk, coupling등에 의한 기생효과가 HMIC에 비해 높은 편이다. 이러한 커플링 효과는 기판의 두께, 주파수, 전송선로의 특성 인피던스 등에 따라 달라지므로 이를 감안한 설계를 하여야 한다.

고집적회로의 경우에는 EM simulation을 통하여 미리 커플링을 예측하여 설계하는 방법이 사용되기도 한다. 이렇듯 설계의 높은 난이도가 요구되지만 MMIC는 전체적인 생산단가의 절감 및 대량 생산의 가능성으로 인하여 점차 마이크로파 시스템 각 분야로의 신속한 파급이 이루어지고 있다.

2.MMIC역사

Kilby의 1976년 논문에 의하면 monolithic 집적회로의 아이디어는 1952년 Dummer에 의해서 처음으로 잉태되었다.
이 아이디어에 고무받은 미 공군은 연결 와이어를 완전히 없앨 수 있는 새로운 형태의 집적회로를 개발하고자 "Molecular Electronics" 라는 국책 회로 프로젝트를 시작하였다. 이 프로젝트는 후에 MIRA(Molecular Electronics for Radar Applications)라는 이름으로 바뀌었고 1964년부터 미국 TI사가 이 과제를 수행하게 되었다.

MIRA 프로그램은 MMIC의 기본적인 개념과 기술에 관한 심도 깊은 연구의 출발점이 되었다.
이 프로젝트를 통하여 레이더용도로 X-band T/R 스위치, 평형혼합기등의 당시에는 혁신적인 초기 MMIC들이 개발되었다.

이러한 초기의 MMIC들은 P-type으로 도핑된 실리콘을 기판으로 사용하였는데, 실리콘 기판의 무시할 수 없는 전도율로 인하여 전송선로의 손실이 심하였고, 소자간의 분리도가 좋지 않은 문제점을 지니고 있었다. 이러한 이유 때문에 차후에는 GaAs가 MMIC의 기판으로 각광받기 시작하였다.

GaAs는 다음과 같은 두 가지 이유로 인하여 MMIC에 이상적인 기판으로 여겨졌다. 첫 번째로 낮은 유전체 손실로 인하여 마이크로스트립라인 같은 전송선로의 구현에 적합하며, 두 번째로 높은 전자의 이동도와 큰 Schottky 장벽 전압으로 인하여 고성능의 MESFET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor)을 GaAs위에 Epitaxy나 이온 주입법 등을 사용하여 제작할 수 있다는 점등이다.

GaAs를 MMIC의 기판으로 사용하고자 하는 시도는 이미 1964년에 이루어졌다. 하지만 그 당시에는 GaAs를 단지 전송선로의 유전체로 사용하였을 뿐, 능동소자를 제작할 반도체로 사용할 생각은 하지 못하였다.

능동소자를 구현하기 위해서 Ge (Germanium:게르마늄)을 GaAs위에 증착한 후 Ge을 이용하여 트랜지스터를 제작하였다. 1960년대 중반에 들어서는 GaAs위에 FET를 만들고자 하는 연구가 본격적으로 시작되어서 1967년에는 최대 발진 주파수 (Maximum Frequncy of Oscillation : fmax)가 3 ㎓인 마이크로파용 GaAs FET가 개발되었다. 그후 발전속도는 더욱 빨라져 3년후인 1970년에는 fmax가 30 ㎓로 10배 증가하였으며 GaAs FET는 이후 가장 빠른 트랜지스터로 자리를 잡았다.

76년 Plessy의 연구팀은 처음으로 GaAs MESFET를 사용한 MMIC 증칢기를 개발하였고 이 이후 GaAs MMIC에 관한 연구 개발은 폭발적으로 이루어져서 증폭기뿐만 아니라 믹서, multiplier, 스위치, 발진기 등의 다양한 MMIC들이 등장하기 시작하였다.

1970년대에서 1980년대 초반까지만 하더라도 MESFET이 GaAs MMIC의 유일한 능동소자로 사용되었으나, 1980년경부터 HEMT들이 등장하였고 현재는 HEMT가 가장 중요한 밀리미터파 소자로 MMIC에 사용되고 있다.

HEMT는 이름에서 보더라도 알수 있듯이 MESFET보다 높은 전자의 이동도로 인하여 스피드가 빨라서 초고주파, 특히 밀리미터파에서 큰 이득을 가질 수 있으며 잡음특성이 우수하여 저잡음 증폭기 등으로 자주 사용된다. 최근에는 BJT(Bipolar Juction Transistor)의 개량형인 HBT (Heterojunction Bipolar Transistor)도 MMIC에 사용되기 시작하였다. HBT는 HEMT나 MESFET같은 FET계열에 비하여 선형성이 우수하고 전력특성이 뛰어나 전력증폭기 등에 사용빈도가 높아가고 있다.

3.최신 연구 동향

MMIC는 반도체 기판상에 능동소자와 수동소자는 물론이고 단위 소자에 연결 도 일괄 공정으로 동시 제작이 가능하므로, 종래의 부품에 비해 크기가 작으면서 신뢰성 또한 높고 특성도 좋다. 또한 MMIC는 개별 부품에 대한 패키지가 별도로 필요치 않으므로 제조 코스트도 낮출 수 있다.  MMIC는 이용분야로는 휴대용 전화기, 개인휴대통신(PCS)용 단말기, 위성 이 동통신용 단말기등 으로 다양하며, MMIC의 개발을 위해서는 소자 제조기술, 회로 설계기술, 고주파 패키지 기술등이 종합적으로 요구된다.


4.결론

반도체 집적 기술과 마이크로파 회로 기술이 결합형태인 MMIC기술은 원래 군사용으로 개발이 되었으나 최근에는 무선통신 시장의 급격한 발전으로 인하여 상용으로도 많은 개발이 이루어지고 있다. 특히 밀리미터파 대역이 최근 민군겸용으로 개방되면서 MMIC기술은 밀리미터파 회로 분야의 핵심기술로 등장하고 있다.

MMIC기술의 발달로 인하여 레이더의 경량화와 저가화가 이루어지고 있으며, 이러한 추세는 자동차 레이더 등의 상용시스템으로 이어지고 있다. MMIC기술은 향후 각종 마이크로파 및 밀리미터파 시스템의 핵심 기술로 자리를 잡으리라 예상된다.

출처:미르텍