산화알루미늄 기판 기반의 Hybrid GaN 전력증폭기 연구

국문 초록 (Abstract)

∎ GaN HEMT 소자 평가
• GaN HEMT 소자를 사용하여 고출력의 전력증폭기를 구현하기 위해서는 소자 자체에 대한 특성이 평가되어야 하며 이를 통해 설계에 필요한 소자의 다양한 데이터가 추출되어야 함. 상용으로 가용한 GaN HEMT 소자는 제공되는 데이터가 기본적인 S-parameter 데이터와 소자의 출력능력을 표시하는 데이터만을 제공하고 있으므로 이를 회로설계에 직접 활용하기는 어려움.
• 따라서 회로설계를 위해서는 실제 소자의 상세한 측정 데이터가 요구됨. 소자의 S-parameter 측정은 TRL(Thru-Reflect-Line) calibrarion 기법을 사용하여 추출하고 전력정합을 위한 정보는 loadpull 기법으로 추출해냄. 추출된 정보의 유효성은 ADS(Advanced Design System) 소프트웨어를 통해 모의실험을 수행하고 이를 측정치와 비교함으로써 검증함.

∎ 열 방출 효과도 분석 및 신호의 결합/누설 분석
• GaN HEMT 소자를 알루미늄 기판에 부착할 경우 발생하는 열을 효율적으로 방출하기 위해서는 소자를 부착할 때 여러 가지 방법들이 시도되어야 함. 알루미늄의 열 팽창계수는 GaN 기판의 열 팽창계수와 다르므로 열 방출이 효율적으로 이루어지지 않을 경우 소자에 crack이 갈 수 있으므로 eutectic, epoxy, solder 등의 다양한 방법들이 고려되어야 함. 소자의 최적 부착을 위한 여러 방안들을 검토하고 이를 검증하고자 함.
• 능동소자와 산화알루미늄 기판 사이의 공간은 전자파의 또 다른 전달경로가 될 수 있으며 알루미늄이 전송선로 사이에서 얼마나 적절한 신호차폐 특성을 보여주는지가 이론적으로, 그리고 수치해석적으로 연구되어야 함. 따라서 회로를 위해 최적의 전송선로 변환구조와 기판과 소자의 간격 등이 신호의 결합과 누설이 최소가 되도록 설계되어야 함. 따라서 이에 대한 심도 있는 연구가 필요함.

∎ GaN 전력증폭기 회로 설계 및 검증
• 최근 미국의 Cree, Nitronex, 일본의 Eudyna 등의 업체를 중심으로 고출력 전력증폭기 상용 시제품들이 출시되고 있으며, 10 GHz 이상의 높은 주파수에서는 전력증폭기보다는 GaN 전력소자에 대한 연구가 한창 진행 중임. 10 GHz 이상의 높은 주파수에서는 주파수 성능, 출력전력 및 전력밀도, 전력이득 등을 개선하는데 연구의 초점을 맞추고 있음. 한편 현재 국내의 GaN 전력반도체에 대한 연구는 몇몇 대학 및 연구소에서 기판과 에피의 성장에 대한 연구를 주로 수행하고 있으며 소자 개발과 이를 이용한 새로운 형태의 전력증폭기 개발에 대한 연구는 거의 이루어지고 있지 않아 개발이 시급한 실정임.
• 본 연구에서는 6인치의 알루미늄 웨이퍼에 선택적으로 양극산화된 절연층을 만들고 절연층 위에 회로를 구현하기 위해 수동소자 라이브러리를 활용하여 펄스모드 전력증폭기를 위한 정합회로를 설계함. 설계된 정합회로는 입력측은 이득을 최대로 하는 정합으로, 출력측은 전력을 최대로 하는 정합으로 구성함.
• 전력증폭기의 회로는 효율을 고려하여 설계되며 AB급 이하의 구조를 갖도록 설계되며 필요에 따라 스위칭 모드 동작도 고려함. 10 % duty 조건에서 100 W 이상의 전력을 낼 수 있는 회로를 40 mm×40 mm의 면적에 구현함.
• 기존의 하이브리드 회로와 달리 전력누설에 대한 차폐효과를 얻기 위해 새로운 형태의 전송선로 구조를 적용하고 열 방출을 효율적으로 달성하기 위해 pocket 형태의 칩 패키징 기술을 도입하여 설계를 진행하고 전력증폭 모듈에 대한 이의 유용성을 확인함.