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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 74, No. 08, p.1354-1362

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 01 Apr. 2025Revised : 29 Apr. 2025Accepted : 23 Jun. 2025

DOI :

https://doi.org/10.5370/KIEE.2025.74.8.1354

웨이비스의 0.2 μm GaN HEMT 공정을 이용한 X-대역 저잡음 증폭기 MMIC

X-Band Low-Noise Amplifier MMICs Using Wavice’s 0.2 μm GaN HEMT Process

송인혁 (In-Hyuk Song) ¹iD 한성희 (Seong-Hee Han) ¹iD 노윤섭 (Youn-Sub Noh) ²iD 임종원 (Jong-Won Lim) ²iD 권지훈 (Ji-Hun Kwon) ³iD 전병철 (Buoung-Chul Jun) ³iD 김동욱 (Dong-Wook Kim) ^†iD

(Department of Radio and Information Communications Engineering, Chungnam National University, Daejeon, Republic of Korea.)
(Electronics and Telecommunications Research Institute, Daejeon, Republic of Korea.)
(Wavice, Hwaseong, Republic of Korea.)

^†Corresponding Author : Department of Radio and Information Communications Engineering, Chungnam National University, Daejeon, Republic of Korea. E-mail : dwkim21c@cnu.ac.kr

License :

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Translated Abstract

In this paper, two types of X-band GaN low-noise amplifier(LNA) monolithic microwave integrated circuits(MMICs) are designed, fabricated, and evaluated using a 0.2 μm GaN HEMT process at Wavice foundry. The low-noise amplifier MMICs use GaN HEMTs with source degeneration microstrip lines, and insert thin-film resistors in shunt (shunt RC) or series configurations into the biasing networks for amplifier stabilization. Input matching of a two-stage amplifier MMIC is implemented to obtain a lower noise figure, and input matching of a three-stage amplifier MMIC is achieved for higher gain and better input return loss. The fabricated two-stage MMIC exhibits a linear gain of 16.2~17.3 dB, a noise figure of 1.31~1.52 dB, and an output P1dB of 26.5 dBm, while the three-stage MMIC achieves a linear gain of 22.5~24.7 dB, a noise figure of 1.67~1.77 dB, and an output P1dB of 25.5 dBm. Both LNA MMICs have a saturated output power of 32.6 dBm. Furthermore, the power measurements show that the three-stage MMIC is endurable up to the input power of 10 W. The MMIC chip dimensions are 1.6×1.5 mm2 for the two-stage amplifier and 1.85×1.5 mm2 for the three-stage amplifier.

Key words

X-band, GaN HEMT, Low-Noise Amplifier, MMIC, Source Degeneration

1. 서 론

X-대역은 9~10 GHz를 포함하는 대역으로, 군용 레이다, 위성통신, 항공우주 시스템 등에서 널리 사용되는 주파수 영역이다. 해당 주파수를 사용한 무선 통신 시스템에서 수신기의 핵심 구성 요소인 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)의 성능은 시스템의 전체 감도 및 신호 품질을 결정하는 중요한 요소이다. X-대역 수신기에서는 고효율, 낮은 동작전압, 높은 전자 이동도 등의 이유로 갈륨비소(GaAs) 및 실리콘(Si) 기반의 저잡음 증폭기가 사용되었으나, 고출력 환경에서의 낮은 내구성 및 신뢰성이라는 한계점들이 있다. 그러므로 차세대 X-대역 수신기에서는 더 우수한 전력 성능과 높은 신뢰성을 가지는 질화 갈륨(GaN) 기반의 저잡음 증폭기가 더욱 주목받고 있다^[1-^2].

표 1은 수신기에 사용되는 반도체 재료들의 특성을 비교한 표이다^[1]. GaN 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor, HEMT)는 GaAs 및 Si 기반의 소자보다 높은 항복 전압과 전자 포화 속도, 그리고 우수한 열전도도 특성을 가진다. GaN HEMT 기반 저잡음 증폭기는 기존 GaAs 기반의 저잡음 증폭기보다 높은 내압 특성으로 인해 수신기 앞단에서 큰 출력의 누설 전력이나 재밍(jamming) 신호에도 견딜 수 있다. 이러한 이유로 높은 입력 전력으로부터 회로를 보호하는 리미터(limiter)를 별도로 사용하지 않아도 되며, 이는 회로의 소형화와 함께 전체 시스템의 잡음지수 열화를 방지할 수 있게 한다^[3-^4]. 이에 따라 높은 신뢰성을 요구하는 군용 및 항공우주 시스템 등에서 고주파 및 고출력 특성에 최적화된 GaN HEMT 기반 저잡음 증폭기 MMIC의 적용이 점차 확대되고 있다^[4-^5].

표 1 반도체 재료의 물질적 특성

Table 1 Properties of semiconductor materials

Materials	GaN	GaAs	4H-SiC	Si
Bandgap [eV]	3.49	1.42	3.25	1.1
Electron saturation velocity [10⁷ cm/sec]	2.5	1.3	2.0	1.0
Breakdown voltage [10⁵ V/cm]	35	6.5	35	6.0
Electron mobility @ 300°K [cm²/V·s]	1600	8500	700	1500
Thermal conductivity [W/cm°K]	1.7	0.5	4.5	1.5

국내에서도 GaN 반도체 산업에 관한 관심이 급격히 증가하고 있으며, 최근에는 국내 최초 GaN 파운드리(foundry) 회사인 웨이비스에서 0.2 μm GaN HEMT 공정을 개발하였으며 고주파 및 고출력 특성에 최적화된 RF HEMT 기술을 제공하고 있다. 본 논문에서는 웨이비스의 0.2 μm GaN on SiC 공정을 활용하여 X-대역에서 동작하는 2단 및 3단 저잡음 증폭기 MMIC를 설계하고, 그 성능을 검증한다. 설계와 제작에 활용된 저잡음 증폭기의 성능 목표는 표 2와 같다.

표 2 X-대역 저잡음 증폭기 MMIC 설계 목표

Table 2 Design specifications of X-band GaN LNA MMICs

Parameters	2-stage LNA	3-stage LNA
Frequency [GHz]	9~10	9~10
Gain [dB]	≥ 16	≥ 23
Noise figure [dB]	≤ 1.6	≤ 1.8
Size [mm×mm]	1.85×1.5	1.85×1.5
Output return loss [dB]	≥ 10	≥ 10
Input return loss [dB]	≥ 10	≥ 10

2. 저잡음 증폭기 설계

2.1 공정 및 소자 선정

그림 1은 웨이비스의 0.2 μm GaN HEMT 파운드리 공정의 단면 구조를 보여주고 있다. 사용된 GaN HEMT 파운드리 공정의 SiC 기판은 100 μm의 두께를 가지며, 8 μm 두께의 후면 공정 금속층과 2 μm 및 4 μm 두께의 전면 공정 금속층을 제공한다. 또한, 500 Ω/$□$의 면저항을 가지는 벌크 저항(Bulk Resistor)과 27 Ω/$□$의 면저항을 가지는 박막 저항(Thin Film Resistor, TFR), 그리고 237 pF/mm2의 MIM(Metal Insulator Metal) 캐패시터 공정도 제공한다. 회로 설계에서는 측정된 GaN HEMT의 S-파라미터 파일을 활용하였으며, 뒷면 비아홀(backside via hole)과 MIM 캐패시터는 기판 정보와 물리적 파라미터를 기반으로 2차원 등가 모델을 구축하여 적용하였다. 또한, 인덕턴스 성분을 포함하는 소자는 2.5차원 전자파 시뮬레이션을 통해 값을 도출하였으며, 전체 설계 과정은 Keysight의 Advanced Design System(ADS) 소프트웨어 툴을 이용하여 진행하였다.

그림 1. 웨이비스의 0.2 μm GaN HEMT 공정 단면 구조

Fig. 1. Cross-sectional structure of a 0.2 μm GaN HEMT Process of Wavice

본 논문에서는 100 μm의 단위 게이트 폭과 4개의 핑거로 구성된 4×100 μm GaN HEMT의 공통 소스 단자를 기준으로 측정된 S-파라미터 및 잡음 파라미터 파일을 참고하여 최적의 바이어스 조건을 설정하였다. 4×100 μm GaN HEMT의 주요 특성은 표 3에 요약되어 있다.

표 3 4F100(4×100 μm) HEMT의 주요 특성

Table 3 Key parameters of 4F100(4×100 μm) HEMT

Parameters	Unit	Value
Gate length	μm	0.2
Operating voltage (V_DS)	V	20
Operating drain current	mA/mm	100
Transconductance @ V_GS=0 V	mS/mm	450
MSG* @ 9.5 GHz under operating bias conditions	dB	14
NF_min @ 9.5 GHz under operating bias conditions	dB	0.47
f_t** @ I_DS=100 mA/mm	GHz	27.5
f_max*** @ I_DS=100 mA/mm	GHz	70

*Maximum Stable Gain, **cut-off frequency, ***maximum oscillation frequency

2.2 마이크로스트립 선로를 이용한 유도성 소스 축퇴

회로의 안정도 평가는 K-Δ 테스트를 통해 진행하였으며 Rollet의 조건인 식 (1)과 (2)를 만족하는 경우 회로는 무조건적 안정성을 보인다^[6-^7].

(1)

$K=\dfrac{1-\left | S_{11}\right |^{2}-\left | S_{22}\right |^{2}+ |\triangle |^{2}}{2\left | S_{12}S_{21}\right |}>1$

(2)

$|\triangle | =\left | S_{11}S_{22}-S_{12}S_{21}\right | <1$

VDS=20 V와 IDS=40 mA의 바이어스 조건에서 트랜지스터는 불안정한 특성을 보이며 대역 내의 안정화를 위해 유도성 성분을 가지는 마이크로스트립 전송선로를 트랜지스터의 소스 단자에 연결하여 유도성 피드백을 적용하였다.

그림 2는 소스 축퇴(source degeneration) 선로의 인덕턴스 값에 따른 트랜지스터의 안정도 지수(stability factor) K와 최대 가용이득(Maximum Available Gain, MAG)을 보여준다. 소스 축퇴 선로의 인덕턴스가 커짐에 따라 낮은 주파수에서부터 트랜지스터가 안정되지만, 최대 가용이득은 감소함을 확인할 수 있다.

그림 2. 4×100 μm GaN HEMT의 소스 축퇴 선로 인덕턴스 증가에 따른 최대 가용이득 및 안정도 지수 K의 변화

Fig. 2. Variation of the maximum available gain and stability factor K of a 4×100 μm GaN HEMT with the increase of the source degeneration inductance

그림 3은 소스 축퇴 선로의 인덕턴스 값에 따른 입출력 반사계수(S11, S22)와 최적 잡음 임피던스(Sopt)의 궤적 변화를 스미스 차트에서 보여주고 있다. 그림 2에 나타난 바와 같이 소스에 연결되는 인덕턴스의 값이 커질수록 S11과 Sopt가 서로 근접하고, 입출력 임피던스가 증가하여 스미스 차트의 낮은 Q 영역으로 이동함으로써 광대역 정합이 쉬워진다. 반면에 MAG는 열화되므로 잡음지수와 이득의 적절한 타협이 고려된 인덕턴스 값 설정이 필요하다.

그림 3. 소스 축퇴 선로의 인덕턴스 증가에 따른 4×100 μm GaN HEMT의 S11, S22 및 Sopt 궤적 변화

Fig. 3. Trajectories of S11, S22 and Sopt of 4×100 μm GaN HEMT with the increase of the source degeneration inductance

2.3 저잡음 증폭기 설계

본 논문에서는 2단 공통 소스 캐스케이드 구조의 저잡음 증폭기와 더 높은 이득을 확보하기 위한 3단 공통 소스 저잡음 증폭기를 설계하였으며 전체적인 회로도는 그림 4와 같다. 각각의 저잡음 증폭기는 각 단에서 충분한 이득과 함께 낮은 잡음지수를 확보하도록 설계되었으며 입출력 반사손실은 이득과 잡음지수의 타협점을 기준으로 최적의 값이 도출되도록 설정되었다. 또한 공정 오차로 인한 중심 주파수 이동 가능성을 고려하여 설계 주파수 대역을 기존의 동작 주파수 대역보다 더 넓게 설정하였다.

정합회로를 설계할 때는 이득, 잡음지수 및 반사손실 간의 상호 관계를 고려하여 목표 임피던스를 선정해야 한다. S-파라미터 시뮬레이션을 통해 동작 주파수 대역에서 안정도를 확보하면서도 최대 가용이득의 열화를 최소화할 수 있도록, 첫 번째 단의 소스 축퇴 역할을 하는 마이크로스트립 선로 길이를 우선 고려하여 결정하였으며 해당 선로의 인덕턴스 값은 약 0.18 nH로 정했다. 소스 축퇴 인덕턴스를 결정한 후 대역 내에서 이득원과 잡음원의 궤적을 분석하여 최적의 소스 및 부하 임피던스를 선택하였고, 이를 바탕으로 입출력 및 단간 정합회로를 설계하였다.

그림 4. X-대역 GaN 저잡음 증폭기 MMIC 회로도

Fig. 4. Schematic of X-band GaN LNA MMIC

그림 5는 9.5 GHz에서 저잡음 증폭기의 첫 번째 단에서 나타나는 이득원, 잡음원 및 S*11을 스미스 차트에서 보여주고 있으며, 2단 및 3단 저잡음 증폭기의 목표 소스 임피던스 지점을 함께 표시하였다. 소스 임피던스는 LNA의 전체적인 이득과 잡음 특성을 결정하는 중요한 요소이므로 약간의 임피던스 부정합이 발생하더라도 저잡음 증폭기의 이득과 잡음 특성이 크게 변하지 않아야 한다. 따라서 이득원 및 잡음원 각각의 원 간격이 비교적 넓은 임피던스 영역에서 소스 임피던스를 선택하였다. 목표 소스 임피던스를 기준으로 설계가 진행될 때 예상되는 이득과 잡음지수는 2단 증폭기의 첫 번째 단에서는 약 9.1 dB의 선형이득과 0.53 dB의 잡음지수, 3단 증폭기의 첫 번째 단에서는 약 9.5 dB의 선형이득과 0.62 dB의 잡음지수가 예상되었다. 2단과 3단의 각 단 소스 및 부하 임피던스는 위와 동일한 방법으로 선정되었다.

그림 5. 소스 축퇴를 적용한 4F100 HEMT의 9.5 GHz에서의 이득원, 잡음원, S*11와 2단 및 3단 저잡음 증폭기의 목표 소스 임피던스

Fig. 5. Gain circles, noise circles and S*11 of a 4F100 HEMT with inductive source degeneration, and targeted source impedances for two-stage and three-stage LNAs, at 9.5 GHz

저잡음 증폭기의 잡음지수는 입력단에서 가장 큰 영향을 받고, 후단으로 갈수록 그 영향이 점차 감소하기 때문에 후단으로 갈수록 트랜지스터의 입력 정합은 더 높은 이득을 제공하는 원을 기준으로 진행하였다. 정합회로에는 간단한 구조와 물리적 크기가 작은 소자들을 중심으로 회로를 구성하였으며, 자기 공진 주파수를 고려한 크기의 바이패스 캐패시터를 바이어스 선로에 연결하였다.

2단 증폭기 설계에서는 바이어스 선로를 정합회로에 포함하여 간단한 구조로 정합회로를 구현하였다. 또한, 저주파 대역에서의 안정도를 향상하기 위해, 바이어스 선로의 바이패스 캐패시터 앞에 4 Ω의 저항을 직렬로 추가하여 RC 분기(shunt RC) 회로를 구성하였다. 게이트 바이어스 선로에는 20 Ω의 저항을 삽입하여 추가적인 안정화를 하였다. RC 분기 회로를 게이트 바이어스 회로에 적용하는 경우 동작 주파수에서 잡음지수의 열화를 가져왔고, 드레인 바이어스 회로에 적용하는 경우는 최대 가용이득의 열화를 주로 유발하는 경향이 있었다. 따라서 RC 분기 회로는 첫 번째 단 트랜지스터의 드레인 바이어스 회로와 두 번째 단 트랜지스터의 게이트 바이어스 회로에만 선택적으로 적용하였다.

3단 증폭기의 경우 RF 신호가 바이어스 경로로 유입되어 발생할 수 있는 불필요한 발진과 신호 손실을 방지하기 위해 동작 주파수 대역에서 트랜지스터의 입력 임피던스보다 10배 이상 큰 616 Ω의 저항을 각 단의 게이트 바이어스 선로에 추가하였다. 2단과 3단 증폭기 모두 각 단의 드레인 바이어스 회로에는 3 Ω의 작은 직렬 저항을 추가하여 전압강하를 최소로 하면서 낮은 주파수 대역에서 발생할 수 있는 불필요한 불안정성을 억제하였다.

저항을 게이트 바이어스 회로의 RC 분기 회로, 게이트 바이어스 직렬 선로, 드레인 바이어스 직렬 선로 순으로 추가함에 따라 2단 저잡음 증폭기의 후단 안정도가 점차 개선되어 감을 최대 가용이득과 함께 그림 6에 표시하였다. 바이어스 회로 설계에 활용된 안정화 기법은 동작 주파수 대역에서의 최대 가용이득 변화에는 거의 영향을 미치지 않으면서 저주파 대역에서의 안정도 확보에 효과적인 방안임을 알 수 있다.

그림 6. 바이어스 선로의 저항 추가에 따른 안정도 지수 K 및 최대 가용이득의 변화

Fig. 6. Change of stability factor K and MAG with the insertion of resistors into bias networks

3. 측정 결과

그림 7은 0.2 μm GaN HEMT 공정으로 설계하여 제작된 X-대역 저잡음 증폭기 MMIC의 사진이다. 패드를 포함한 칩 크기는 2단 증폭기가 1.6×1.5 mm2 이며 3단 증폭기는 1.85×1.5 mm2 이다.

제작된 칩의 S-파라미터 측정은 온-웨이퍼(on-wafer) 프로브 스테이션에서 Keysight PNA(N5225B) 네트워크 분석기를 사용하여 수행하였으며 모든 측정은 드레인 전압 20 V에서 각 트랜지스터에 40 mA의 전류가 흐르는 조건에서 진행되었다.

그림 7. 제작된 X-대역 GaN 저잡음 증폭기 MMIC의 칩 사진

Fig. 7. Chip photographs of the fabricated X-band low-noise amplifier MMICs

그림 8(a)는 제작된 2단 저잡음 증폭기의 S-파라미터 측정 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하여 보여주고 있다. 측정 결과는 9~10 GHz의 동작 주파수 대역에서 16.3~17.3 dB의 선형이득을 보였으며, 10 dB 이상의 입출력 반사손실을 만족하는 주파수 구간은 각각 6.7~9.3 GHz와 8.1~15.5 GHz이다. 입력 반사손실은 동작 주파수 대역에서 7.7 dB 이상의 값을 유지하였다. 측정 결과는 시뮬레이션과 비교했을 때 전체적으로 아주 유사한 특성을 보였으며 대역 내에서 약 0.8 dB의 이득 하향이 있었다.

그림 8(b)는 3단 저잡음 증폭기의 S-파라미터 측정 결과를 시뮬레이션 결과와 비교해서 보여주고 있다. 22.5~24.7 dB의 선형이득을 보였으며, 10 dB 이상의 입출력 반사손실을 갖는 주파수 영역은 각각 5.8~10.9 GHz와 7.7~12.9 GHz이다. 선형이득은 약 8 GHz까지 시뮬레이션과 매우 유사한 경향을 보이지만 주파수가 증가할수록 약간 더 가파른 기울기로 감소하는 특성이 나타났다. 이에 따라 동작 주파수 대역에서는 시뮬레이션 결과와 비교해서 1.4~2.57 dB의 이득 감소가 관찰되었다.

제작된 저잡음 증폭기 MMIC의 잡음지수 측정 결과를 시뮬레이션 결과와 함께 그림 9에 나타내었다. 측정은 Keysight 잡음 소스 SNS(N4002A)와 잡음지수 분석기 NFA(N8975A)를 사용하여 진행되었으며, 측정에 사용된 RF 입출력 프로브와 케이블 손실을 네트워크 분석기를 통해 측정한 후 Friis 방정식에 대입하여 저잡음 증폭기만의 잡음지수를 추출하였다^[8].

그림 8. 제작된 X-band GaN 저잡음 증폭기 MMIC의 S-parameter 시뮬레이션 및 측정 결과

Fig. 8. Simulated and measured S-parameter results of the fabricated X-band GaN low-noise amplifier MMICs

그림 9(a)에 보인 2단 저잡음 증폭기의 잡음지수는 동작 주파수 대역에서 시뮬레이션 결과보다 대략 0.2 dB가 상향된 1.31~1.52 dB로 측정되었다. 3단 저잡음 증폭기의 잡음지수는 그림 9(b)에 보인 바와 같이 시뮬레이션 결과보다 약 0.35 dB 증가한 1.67~1.77 dB의 값을 보였다. 2단 및 3단 저잡음 증폭기의 잡음지수는 설계에서 예상된 값보다 전체적으로 소폭 상향된 형태로 측정되었다. S11의 측정 결과가 시뮬레이션 결과와 아주 유사한 특성을 보인 점을 고려하면 입력 정합회로의 오차보다는 사용된 각 정합회로의 손실이 충분히 시뮬레이션 단계에서 반영되지 못한 부분과 공정에 따른 트랜지스터의 잡음 편차가 일부 반영된 것으로 분석된다.

그림 9. 제작된 X-band GaN 저잡음 증폭기 MMIC의 잡음지수 시뮬레이션 및 측정 결과

Fig. 9. Simulated and measured noise figures of the fabricated X-band GaN low-noise amplifier MMICs

입력 반사손실보다는 최적 잡음 임피던스에 더 가깝게 입력 정합회로를 설계한 2단 저잡음 증폭기는 3단 저잡음 증폭기보다 잡음지수가 전체적으로 약 0.3 dB 낮게 측정되었다. 그에 대응하여 3단 저잡음 증폭기는 동작 주파수 전 대역에서 12.5 dB 이상의 우수한 입력 반사손실 특성을 보여주고 있다.

그림 10은 3단 저잡음 증폭기 MMIC에 9 GHz의 입력 전력을 인가했을 때 출력 전력 특성과 내압 특성을 보여주고 있다. 측정 결과에 의하면, 증폭기의 포화 출력은 32.6 dBm이며 40 dBm의 입력 전력까지 치명적 손상 없이 정상 동작함을 확인할 수 있다. 이는 3단 저잡음 증폭기가 수신기에 활용되는 경우 리미터 없이도 효과적으로 외부의 강한 신호에 대응할 수 있음을 의미한다.

표 4 제작된 X-대역 GaN 저잡음 증폭기 MMIC와 기존 저잡음 증폭기 MMIC의 성능 비교

Table 4 Performance comparison of the fabricated X-band low-noise amplifier MMICs with previously published X-band GaN low-noise amplifier MMICs

Ref.	Frequency [GHz]	Stage	Gain [dB]	V_DS, I_DS	NF [dB]	P_1dB [dBm]	Return loss [dB]		Chip size [mm×mm]	Process
Ref.	Frequency [GHz]	Stage	Gain [dB]	V_DS, I_DS	NF [dB]	P_1dB [dBm]	Input	Output	Chip size [mm×mm]	Process
^[5]	9~13	2	10~16	10 V, N.A.	2.2~2.9	N.A.	6.5~16	10~17	2.2×1.3	0.1 μm GaN HEMT
^[9]	9~10	2	11.1~11.7	15 V, 100 mA	1.6~2.1	N.A.	8~12	10~11	4.3×3.2	0.25 μm GaN HEMT
^[10]	8~12	2	14~17	15 V, 90mA	2.2~2.5	20	10~19	10~17	2.5×2
^[11]	8~10	3	24~27	12 V, 75 mA	1.1~1.3	17.6	2~20	12.5~28	3.0×1.5
^[11]	10~12	3	24.4~25.2	12 V, 75 mA	1.3~1.75	21	10~22	12~22	3.0×1.5
^[12]	8~11	3	22.0~30.8	10 V, 60 mA	1.6~1.95	23	9.1~20.6	6~16	2.8×1.3
^[13]	7~10	3	24~24.6	6 V, 90 mA	1.8~2.1	11	10~27	18~26	2.3×1.0
This work	9~10	2	16.2~17.3	20 V, 80 mA	1.31~1.52	26.5	7.7~11.5	20.8~38.5	1.6×1.5	0.2 μm GaN HEMT
This work	9~10	3	22.5~24.7	20 V, 120 mA	1.67~1.77	25.5	12.5~13	16.8~18.8	1.85×1.5	0.2 μm GaN HEMT

그림 10. 제작된 X-band GaN 3단 저잡음 증폭기 MMIC의 입력 전력에 따른 출력 전력 특성과 내압 특성 (주파수: 9 GHz)

Fig. 10. Output power characteristics and endurable power performance with the input power of the fabricated X-band GaN three-stage low-noise amplifier MMIC (frequency: 9 GHz)

표 4는 제작된 X-band GaN 저잡음 증폭기 MMIC의 성능을 기존에 발표된 GaN HEMT 저잡음 증폭기 MMIC와 비교하고 있다. 본 논문에서 개발한 2단 저잡음 증폭기는 ^[5], ^[9], ^[10]과 비교하여 가장 높은 평균 이득과 가장 낮은 잡음지수를 보였다. 3단 저잡음 증폭기의 경우 ^[11], ^[12], ^[13]과 비교하여 25.5 dBm의 가장 높은 P1dB(1 dB 압축점)과 전력 특성을 가졌으며, 잡음 성능 또한 상대적으로 우수함을 보였다.

본 논문에서 개발된 두 종류의 저잡음 증폭기 MMIC는 작은 칩 크기에도 불구하고 높은 이득을 구현하고 있으며 잡음지수 또한 우수한 특성을 보였다. 제작된 MMIC는 이득, 잡음지수, 반사손실 및 칩의 크기 측면에서 우수한 특성을 보여 상대적으로 높은 경쟁력을 갖추고 있으며, 요구되는 시스템 성능에 따라 적절하게 활용할 수 있음을 확인할 수 있다.

4. 결 론

본 논문에서는 최근 국내에서 최초로 개발된 Wavice의 0.2 μm GaN HEMT 파운드리 공정을 활용하여 X-대역에서 동작하는 GaN 저잡음 증폭기 MMIC를 설계 및 제작하고 그 성능을 검증하였다. 2단 및 3단 공통 소스 저잡음 증폭기 MMIC는 마이크로스트립 선로로 소스 축퇴된 트랜지스터를 사용하였으며 바이어스 회로에 다양한 형태로 저항을 삽입함으로써 안정성을 확보하였다. 제작된 2단 및 3단 저잡음 증폭기 MMIC는 각각 1.6×1.5 mm2와 1.85×1.5 mm2의 작은 크기로 구현되었으며, 설계 주파수 대역인 9~10 GHz에서 2단 저잡음 증폭기는 16.2 ~17.3 dB의 선형이득과 1.31~1.52 dB의 잡음지수를 보였고 3단 저잡음 증폭기는 22.5~24.7 dB의 선형이득과 1.67~1.77 dB의 잡음지수를 보였다. 특히, 3단 저잡음 증폭기는 10 W의 입력 전력에도 영구적인 손상 없이 회로가 정상 동작하여 수신기에서 리미터 없이 바로 활용이 가능함을 확인하였다. 본 연구는 국내 최초의 0.2 μm GaN HEMT 파운드리 공정을 활용한 X-대역 저잡음 증폭기 개발 사례로서 향후 높은 내압 특성을 요구하는 마이크로파 수신시스템에 활발하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

본 연구는 2023년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업(No. CAP23031-000)의 지원을 받아 수행되었습니다.

References

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저자소개

송인혁(In-Hyuk Song)

He received his B.S. degree in Information and Communication Engineering from Hanbat National University, Daejeon, Republic of Korea, in 2024. He is currently an M.S. candidate in Radio Science and Engineering from Chungnam National University, Daejeon, Republic of Korea. His research interests include monolithic microwave integrated circuits and modules for millimeter-wave applications.

한성희(Seong-Hee Han)

He received his B.S. and M.S. degrees in Radio Science and Engineering from Chungnam National University, Daejeon, Republic of Korea, in 2021 and 2023, respectively. He is currently a Ph.D. candidate. His research interests include 3D printing techniques for microwave devices and components and monolithic millimeter-wave integrated circuits and front-end modules.

노윤섭(Youn-Sub Noh)

He received his B.S. degree in Jeonbuk National University, Jeonju, Republic of Korea, in 2000, and his M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, Republic of Korea, in 2001 and 2004, respectively. In 2004, he joined Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI), Daejeon, Republic of Korea, as a senior research staff. His current research interests include RF power amplifiers, low noise amplifiers and switches.

임종원(Jong-Won Lim)

He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in physics from Chung-Ang University, Seoul, Republic of Korea, in 1988, 1990, and 1998, respectively. In 2000, he joined Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI), Daejeon, Republic of Korea, as a senior research staff, where he has been engaged in the researches on compound semiconductors and monolithic microwave integrated circuits for radar and wireless telecommunications. His current research interests include the process development, fabrication, and characterization of GaN high-electron mobility transistors and monolithic millimeter-wave integrated circuits.

권지훈(Ji-Hun Kwon)

He received his M.S. degree in Electronic Engineering from Hanyang University, Seoul, Republic of Korea, in 2010. He is currently working as a senior research engineer at WAVICE, with research interests focused on the development of RF GaN HEMTs.

전병철(Buoung-Chul Jun)

He received his B.S. degree in Electronic Engineering from Hankyong National University, Gyeonggi-do, Republic of Korea, in 1999, and his M.S. degree in Electronic Engineering from Dongguk University, Seoul, Republic of Korea, in 2001. In 2001, he joined IFT Co., Ltd. in Gyeonggi-do, Republic of Korea, where he developed RF SAW filter devices. From 2004 to 2010, he worked as a researcher at the Millimeterwave Innovation Technology Research Center (MINT) at Dongguk University, where he was involved in research and development of RF GaAs pHEMTs and millimeter-wave MMICs. From 2011 to 2017, he served as a senior research engineer at the R&D center of GigaLane, where he led a research and development team focusing on RF GaN transistors and semiconductor processes. He is currently the Executive Director of the R&D team at WAVICE, where he leads ongoing research and development of RF GaN devices and their applications.

김동욱(Dong-Wook Kim)

He received his B.S. degree in electronic communications from Hanyang University, Seoul, Republic of Korea, in 1990, and his M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, Republic of Korea, in 1992 and 1996, respectively. In 1996, he joined LG Electronics Research Center in Seoul, Republic of Korea, where he developed high-power III–V semiconductor devices and monolithic microwave integrated circuits. From 2000 to 2002, as a director of the R&D center in Telephus Inc., he led research and development teams in creating RF-integrated passive devices on a thick oxidized Si substrate and their resultant applications. From 2002 to 2004, he was involved in the development of wireless security systems as a team leader at S1 Corporation, a Samsung Group company. In 2004, he joined the faculty of Chungnam National University, Daejeon, Republic of Korea. In 2009, he joined Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) as an invited researcher. He joined the University of California at San Diego, La Jolla, in 2010 as a visiting scholar. Furthermore, he was the director of the Center for Information and Communication at Chungnam National University from 2016 to 2018, and is currently a full professor and the director of Semiconductor Specialized University Program at the university. He has been a senior member of the IEEE since 2017. His research interests are III-V compound semiconductor (GaAs and GaN) monolithic microwave and millimeter wave integrated circuits, internally matched power amplifiers, and microwave and millimeter-wave embedded modules such as miniaturized radar modules and wide band high-power modules.

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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Journal Information

X-Band Low-Noise Amplifier MMICs Using Wavice’s 0.2 μm GaN HEMT Process

Translated Abstract

Key words

1. 서 론

2. 저잡음 증폭기 설계

2.1 공정 및 소자 선정

2.2 마이크로스트립 선로를 이용한 유도성 소스 축퇴

(1)

(2)

2.3 저잡음 증폭기 설계

3. 측정 결과

4. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

송인혁(In-Hyuk Song)

한성희(Seong-Hee Han)

노윤섭(Youn-Sub Noh)

임종원(Jong-Won Lim)

권지훈(Ji-Hun Kwon)

전병철(Buoung-Chul Jun)

김동욱(Dong-Wook Kim)

Article Information (continued)

Key words

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X-Band Low-Noise Amplifier MMICs Using Wavice’s 0.2 μm GaN HEMT Process

Translated Abstract

Key words

1. 서 론

2. 저잡음 증폭기 설계

2.1 공정 및 소자 선정

2.2 마이크로스트립 선로를 이용한 유도성 소스 축퇴

(1)

(2)

2.3 저잡음 증폭기 설계

3. 측정 결과

4. 결 론

Acknowledgements

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저자소개

송인혁(In-Hyuk Song)

한성희(Seong-Hee Han)

노윤섭(Youn-Sub Noh)

임종원(Jong-Won Lim)

권지훈(Ji-Hun Kwon)

전병철(Buoung-Chul Jun)

김동욱(Dong-Wook Kim)

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the Korean Institute of Electrical Engineers