C-/X-/Ku-대역 송수신 GaN MMIC 칩셋 기술

A08

특허기술명 : 질화물계 반도체소자 제조방법

GaN MMIC chipset technology for C-/X-/Ku-band Transceiver

TRL4 :Lab Scale 시제품 개발

한줄 기술 요약

소자의 주파수 특성을 향상시키는 질화갈륨계 반도체 소자 제조방법에 관한 기술

질화갈륨계 HEMT내에서 발생하는 외인성(extrinsic) 지연 성분을 감소시키기 위해 보호막의 일부를 리세스 식각하여 에어갭층을 형성하고, 게이트 전극과 2차원 전자 가스층 사이에서 발생하는 프린징 커패시턴스를 감소시켜 더 높은 주파수에서 동작 가능한 질화물계 반도체 소자를 제조하는 방법에 관한 기술임

개발배경 및 해결과제

현대 무선통신기술의 발달과 이동통신 시장의 확대에 따라 GHz 대역 이상의 신호를 고속 처리할 수 있는 질화갈륨계 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)에 관한 기술개발이 요구됨
더 높은 주파수 대역에서 동작하는 질화갈륨계 HEMT를 개발하기 위해서는, 질화갈륨계 HEMT내에서 발생하는 외인성(extrinsic) 지연 성분을 감소시키는 공정기술이 필요

기술의 우수성

하나의 MMIC의 출력이 GaAs 10W 대비 GaN 30W 이상으로 3배 이상의 출력전력 특성 보유
GaAs 약 30% 대비 GaN 40%로 우수한 효율 특성으로 시스템의 고도화 가능
GaAs 150℃ 대비 GaN 250 ℃의 높은 채널온도 특성과 SiC 기판의 우수한 열전도 특성으로 인한 방열의 우수성 구현

기술의 차별성

GaN 고출력증폭기 MMIC는 기존의 10W급의 GaAs MMIC보다 큰 출력전력 높은효율 특성 보유
높은 채널온도 특성과 우수한 열전도 특성으로 방열의 우수성을 구현하여 전력 증폭 기술의 획기적 발전에 기여
현재 X 대역 고출력증폭기 MMIC 등 핵심 송수신 부품들은 수출제한 품목으로 국내수입이 불가능 상황, 해당 기술로 자립 가능

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구현방법

버퍼층 사이에 있는 보호막 일부를 제거하여 보호막이 와이드 리세스 폭을 형성하도록 식각
와이드 리세스 폭에 게이트 전극이 형성되면, 게이트 전극의 하단부 양옆에 에어갭층이 형성

구현방법 2

에어갭층은 낮은 유전상수로 인해 게이트 전극의 하단부와 2차원 전자 가스층 사이에서 발생하는 프린징 커패시턴스를 감소시켜 주파수 특성이 향상된 반도체 소자를 제공할 수 있음

활용분야

고출력 레이더 등 다양한 통신분야

(AESA 레이더, 함정용 레이더, 선박용 레이더 등)

위성 통신 단말기
기지국용 증폭기

적용제품

기지국용 전력증폭기
레이더용 송수신기/트랜지스터 모듈

기술동향 1

현재 질화갈륨(GaN)은 스마트폰, 디스플레이, 전자제품 및 고주파장치에 핵심소재로 우리 실생활에 널리 쓰이고 있으며 신호 변환 속도가 빠르고 이 과정에서 에너지 손실율도 적어 고주파용 고출력 통신 시스템, 자동차용 전력 시스템, 극한환경용 반도체로 그 활용 범위가 급속도로 확대되고 있음

기술동향 2

미국, 일본, 유럽 등 선진국에서는 정부주도 프로젝트를 통하여 고속, 저손실 고효율 GaN 전력반도체를 개발 중에 있음. RFHIC사는 GaN 트랜지스터 증폭기를 국내에서 처음으로 개발하였으며, 현재 6GHz 이하의 제품으로 평균출력 XW급의 고효율 GaN MMIC를 개발중에 있음. 또한, 삼성전자는 Cree의 상용 GaN HEMT를 사용하여 기지국/중계기용인 2GHz 대역 20W GaN 증폭기를 개발함

시장전망

세계 GaN 반도체 기반의 RF device 시장은 2019년 기준 약 740백만 달러를 형성하였고, 5G 이동통신방식 도입 및 시장환경, 업황 등을 감안 시 2019년 이후 연평균 12% 정도 증가하여, 2025년에는 2,000백만 달러 규모에 도달할 전망임

시장전망 2

최근 중국 정부의 대규모 투자 및 주요 선진국을 중심으로 5G의 상용화가 임박함에 따라 통신 인프라에 대한 투자는 더욱 증가하고 있으며, 군사 애플리케이션에서 국가 안보 향상을 위해 기존 시스템을 GaN을 적용한 RF 부품으로 바꾸면서 전체 시장이 증가할 것으로 전망됨