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동향

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5G 이동통신을 위한 GaN RF 전자소자 및 집적회로 기술 동향

2021-06-02 org.kosen.entty.User@49d2c951 이은진(kosen10)

분야

전기/전자,정보/통신

발행기관

한국전자통신연구원

발행일

2021.06.01

URL

http://

첨부파일

본 고에서는 5G 밀리미터파 대역 동작을 위한 Ka-대역 GaN RF 전력증폭 소자 및 전력증폭기 기술에 대하여 중점적으로 살펴보았다. Ka-대역 GaN MMIC 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자는 일반적으로 AlGaN/GaN 채널을 사용한 게이트 길이 0.1~0.15μm 소자 공정기술이 사용되고 있으며, 전력증폭 소자의 전력밀도는 대체로 2.5~3.5W/mm를 나타낸다. Ka-대역 GaN MMIC 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자는 주파수 특성을 향상하기 위해서 게이트 길이를 전자선 리소그라피를 이용하여 미세 게이트를 형성하도록 스케일링하는 추세이며 후면 비어 홀 공정이 사용된다. Ka-대역 GaN MMIC 전력증폭기들의 출력 특성은 6~21.7W로 다양하며, 최대 4W/mm 이상의 전력밀도 특성을 나타내어 고집적 고출력 소형 전력증폭기 구현이 가능함을 알 수 있었다. 기존에는 GaAs pHEMT 전력증폭 소자 공정이 공정 성숙도와 저렴한 생산 단가로 인하여 일부 사용되었으나 외국의 상용 GaN HEMT 공정기술의 발전이 지속해서 이루어져서 X-대역과 Ku-대역 MMIC 전력증폭기뿐만 아니라 Ka-대역 전력증폭기 제작에 GaN HEMT 소자가 주류로 자리 잡기에 이르렀다. 국내의 경우 S-대역 전력 소자의 경우 소자 개발 및 파운더리가 진행 중이지만 X-대역과 Ku-대역, Ka-대역 전력 소자 공정 개발은 계속 진행 중이며 상용 파운더리는 아직 갖추어지지 못하였다. 

비록 ETRI에서는 Ka-대역까지의 전력 소자 기술을 확보하였으며 전력증폭기 역시 4인치 자체 공정을 이용하여 성공적으로 개발하였지만, 외국 수준과 비교하여 출력과 전력부가효율 및 전력밀도가 낮아 성능향상 및 상용화 적용을 위한 추가적인 개발을 진행하고 있다. 5G 이동통신 시장이 본격적으로 열리고 있는 시기에 GaN MMIC 제작을 위한 GaN HEMT 전력증폭 소자 기술 및 MMC 공정기술은 세계적 기술 수준과 중요성을 고려할 때 국내에서도 세계적 기술 수준과 동등한 수준으로 확보하고 구축해야 할 핵심기술로 생각된다. 그동안 이동통신용 RF 부품산업은 주로 선진업체 부품이 시장의 대부분을 차지하였으며 국내에서는 분석을 통한 대등한 제품의 후속 개발이 주가 되었으며, 핵심 소자는 국외에서 전량 수입하고 있었다. 그동안 국내 소재 및 부품에 대한 투자가 소홀하였으며 앞선 신제품 개발과 핵심 소자 수급의 어려움으로 인하여 기술 종속화가 더욱 심화하였다. 소재 부품의 적기 수급의 어려움은 단말기나 장비 등 시스템 산업의 경쟁력을 저해하는 요인으로 작용하고 국내 이동통신 산업 저변에 악영향을 미쳐왔다. 최근 소재 및 부품에 관한 관심과 투자가 지속해서 이루어지고 있는 점은 매우 다행이며 고부가가치 핵심부품의 개발을 통해 세계시장에서 경쟁우위를 창출하기 위해서는 이동통신 RF 핵심부품 분야의 국가적, 전략적 기술 개발이 요구되고 있다.

ABSTRACT
As the 5G service market is expected to grow rapidly, the development of high-power, high-efficiency 
power amplifiers for the 5G communication infrastructure is indispensable. Gallium nitride (GaN) is attracting 
great interest as a key device in power devices and integrated circuits due to its wide bandgap, high carrier 
concentration, high electron mobility, and high-power saturation characteristics. In this study, we investigate the 
technology trends of Ka-band GaN radio frequency (RF) power devices and integrated circuits for operation in 
the millimeter-wave band of recent 5G mobile communication services. We review the characteristics of GaN RF 
high electron mobility transistor (HEMT) devices to implement power amplifiers operating at frequencies around 
28 GHz and compare the technology of foreign companies with the device characteristics currently developed 
by the Electronics and Telecommunication Research Institute (ETRI). In addition, the characteristics of Ka-band 
GaN monolithic microwave integrated circuit (MMIC) power amplifiers manufactured using various GaN HEMT 
device technologies are reviewed by comparing characteristics such as frequency band, output power, and 
output power density of integrated circuits. In addition, by comparing the performance of the power amplifier 
developed by ETRI, the current status and future direction of domestic GaN power devices and integrated circuit 
technology will be discussed. 

KEYWORDS
GaN RF power device, GaN MMIC power amplifier, Ka-band, HEMT

* 출처 : ETRI 전자통신동향분석 제36권 제3호
* 자세한 내용은 첨부파일을 참고하여 주시기 바랍니다.
 

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