KR100846452B1 - 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자에 관한 것으로, 온-상태의 삽입 손실이 악화되지 않으면서도 오프-상태의 격리도가 향상되도록 셀 구조를 최적화함으로써, 스위칭 특성을 이용하는 위상 변위기나 디지털 감쇄기 등 밀리미터파 대역의 제어회로 설계 및 제작에 유용한 고격리도 스위치 소자를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 스위치 소자를 이용하여 스위치 MMIC를 설계할 경우, 격리도 향상을 위해 다단계 션트 전계효과 트랜지스터를 사용하지 않아도 되고, 이를 위한 별도의 λ/4 트랜스포머 전송선로, 인덕터 또는 캐패시터를 스위치 소자 부근에 사용하지 않아도 되므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있으며, 이에 따라 스위치 회로 제조 공정의 수율과 직접도의 향상을 통해 제조 비용을 절감할 수 있다.

스위치 셀(switch cell), 삽입 손실(Insertion loss), 격리도(Isolation), 접지 비아홀(ground via hole) 스위치, 저손실 스위치, 고격리도 스위치

Description

밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자{THE SWITCH CELL STRUCTURE FOR MILLIMETER WAVE BAND HIGH ISOLATION CONTROL CIRCUITS}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자의 셀 구조도이다.

도 2는 상용 시뮬레이터를 이용하여 접지 비아홀의 수에 따른 오프-상태의 격리도 특성 및 온-상태의 삽입 손실 특성을 계산한 결과를 나타낸 도면이다.

도 3a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자의 셀 구조도이며, 도 3b는 도 3a의 스위치 소자의 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 입력 전송선로

11 : 출력 전송선로

12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 : 게이트 전극

22a, 22b, 22c, 22d : 제 1 내지 제 4 접지 비아홀

23a, 23b, 23c, 23d : 메사 저항

24a, 24b, 24c, 24d : 게이트 연결 금속

25, 26, 27, 28, 29 : 드레인 전극

30, 31 : 소오스 전극

32, 33, 34, 35 : 소오스 전극용 에어브릿지 금속

36a, 36b, 36c, 36d, 36e : 드레인 전극용 에어브릿지 금속

본 발명은 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자에 관한 것으로, 더 자세하게는 밀리미터파 대역 통신 시스템에서 고주파 신호의 송수신을 위한 제어에 이용되는 스위치 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)의 핵심 소자인 화합물 반도체 스위치 소자에 있어서 고격리도, 저삽입손실과 함께 특히 소형의 전파 제어회로 칩의 설계 및 제작에 적합한 스위치 소자에 관한 것이다.

무선랜(wireless LAN), 차량충돌 방지용 레이더 시스템 등과 같은 고주파 통신 시스템에서는 수십 GHz 대역의 밀리미터파를 이용하는 경우가 많고, 안테나의 전환회로나 송수신 전환회로 등으로 이러한 고주파 신호를 전환하기 위한 스위치 소자가 이용되는 경우가 많다.

스위치 소자로는 밀리미터파 대역에서 전송 특성과 구동전압 특성이 양호하고 낮은 소모전류와 간단한 바이어스 회로를 가지며 다중포트의 구현과 집적화가 용이한 화합물 반도체 트랜지스터인 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor : HEMT) 또는 금속-반도체 전계효과 트랜지스터(MEtal-Semiconductor Field Effect Transistor : MESFET) 등과 같은 전계효과 트랜지스터(FET)를 주로 이용한다.

이와 같은 스위치 회로에서는 삽입손실(insertion loss)을 될 수 있는 한 작게 하고, 인덕턴스나 캐패시턴스 등 기생성분에 의한 격리도(isolation) 훼손을 줄여주는 기술이 요구되며, 특히 소형의 전파 제어회로를 위해서는 고격리도 스위치 소자의 설계가 매우 중요하다.

이러한 이유로, 신호의 송수신 경로 변경을 위하여 주로 사용되는 SPDT(single-pole-double-throw)형 스위치 회로의 경우, 수십 GHz 대역의 밀리미터파 대역에서는 시리즈(series)-션트(shunt) 구조로는 삽입손실이 너무 크고 격리도가 확보되지 않아 송수신기에서 요구되는 -30dB 이하의 송수신 경로 격리도를 구현하기 어려워 주로 션트(shunt) 구조만을 사용한다.

상기 션트 구조는 스위치 소자의 드레인 또는 소오스에 접지 비아홀(via hole)을 연결하고, 소오스 또는 드레인 전극으로 입력된 밀리미터파 신호에 따라 제어 전극인 게이트 전압을 조절하여 원하지 않는 신호를 접지로 흐르게 해줌으로써 결국 출력단으로의 흐름을 차단하는 구조이다.

이러한 션트 구조에서 종래에는 고격리도를 확보하기 위하여 다단계(multi-stage) 션트 기법을 주로 사용하였다. 그러나, 이러한 다단계 션트 기법을 이용하는 경우, λ/4 트랜스포머의 전송선로, 다수의 전계효과 트랜지스터, 스위치 소자의 주변에 추가되는 인덕터나 캐패시터로 인하여 칩 사이즈가 커져 제조 비용이 증가하게 되는 문제점이 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 미국등록특허 6,320,476호(등록일 2001.11.20)에는 비아홀과 전송선로(transmission line)와의 거리를 최소화하여 격 리도를 향상시킨 "밀리미터 대역의 반도체 스위칭 회로(Millimeter-band semiconductor switching circuit)"가 개시되어 있다.

하지만, 상기 스위칭 회로는 비아홀과 전송선로의 거리를 최소화하기 위하여 전송선과 비아홀을 수직으로 배치한 구조로, 단지 2개의 비아홀만을 배치할 수 있기 때문에 단위셀당 확보할 수 있는 격리도에는 한계가 있을 뿐만 아니라, 전송선로의 임피던스 증가에 따라 삽입 손실이 증가하며, 또한, 종래의 다단계 션트 기법과 마찬가지로 칩의 제조 비용이 증가하게 되는 한계점을 여전히 갖고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 온-상태의 삽입 손실이 악화되지 않으면서도 오프-상태의 격리도가 향상되도록 셀 구조를 최적화함으로써, 스위칭 특성을 이용하는 위상 변위기나 디지털 감쇄기 등 밀리미터파 대역의 제어회로 설계 및 제작에 유용한 고격리도 스위치 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 다른 소자를 사용하지 않고도 격리도를 향상시켜 스위치 소자의 소형화 및 이에 따른 제조 비용의 감소를 도모할 수 있도록 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자는, 입출력 전송선로에 하나 이상의 트랜지스터가 전기적으로 연결되어 이루어진 단위셀을 포함하며, 상기 입출력 전송선로의 상하부에 대칭적으로 다수의 접지 비아홀이 형성되되, 상기 각 트랜지스터의 소오스 전극 또는 드레인 전극이 상기 각 접지 비아홀에 연결되어 접지되며, 상기 각 트랜지스터의 게이트 전극에 인가된 게이트 전압에 따라 상기 입출력 전송선로로 입력된 밀리미터파 신호가 상기 각 접지 비아홀로 전달되어 상기 각 접지 비아홀에 의해 상기 밀리미터파 신호의 누설이 다단계적으로 차단되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자(100)의 셀 구조도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스위치 소자(100)는, 입력 전송선로(10), 출력 전송선로(11), 게이트 전극(12, 13, 14, 15)과 드레인 전극(25, 26) 및 소오스 전극(미도시)으로 이루어진 트랜지스터, 게이트 연결 금속(24a, 24b, 24c, 24d), 에어브릿지 금속(27a, 27b), 제 1 내지 제 4 접지 비아홀(22a, 22b, 22c, 22d), 메사 저항(23a, 23b, 23c, 23d)을 포함한다.

상기 입력 전송선로(10)와 출력 전송선로(11)는 온-상태의 삽입 손실을 줄이기 위하여 낮은 임피던스값을 갖는 것이 바람직하며, 상기 트랜지스터는 전계효과 트랜지스터인 것이 바람직하다.

상기 게이트 전극(12, 13, 14, 15)은 게이트 연결 금속(24a, 24b, 24c, 24d)을 통해 서로 연결되어 있으며, 상기 드레인 전극(25, 26)은 에어브릿지 금속(27a, 27b)을 통해 상기 입력 전송선로(10)와 출력 전송선로(11)에 연결되어 있다. 여기에서, 상기 트랜지스터의 소오스 전극(미도시) 또는 드레인 전극(25, 26)을 제 1 내지 제 4 접지 비아홀(22a, 22b, 22c, 22d) 중 어느 하나에 연결하여 원하지 않는 신호를 접지시키는 것도 가능하다.

상기 제 1 내지 제 4 접지 비아홀(22a, 22b, 22c, 22d)은 소오스 전극(미도시)에 연결되어 있으며, 상기 메사 저항(23a, 23b, 23c, 23d)은 게이트 전극(12, 13, 14, 15)의 앞단에 배치되어 전원과 RF 격리를 위한 수 ㏀ 수준의 높은 저항값을 갖는다. 여기에서, 상기 제 1 내지 제 4 접지 비아홀(22a, 22b, 22c, 22d)과 전송선로(10, 11)와의 거리는 짧을수록 격리도 특성면에서 바람직하나, 본 실시예에서는 공정 마진인 10 미크론 정도로 하였다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스위치 소자(100)는, 제 1 내지 제 4 접지 비아홀(22a, 22b, 22c, 22d)에 의해 온-상태의 삽입 손실을 악화시키지 않으면서도 오프-상태의 격리도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 칩의 사이즈를 줄일 수 있도록 구성된 것에 가장 큰 특징이 있으며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스위치 소자(100)는, 전송선로(10, 11)의 상하부에 대칭적으로 접지 비아홀이 배치될 수 있는 단위셀 구조로 이루어져 있으며, 본 실시예에서는 단위셀에 4개의 접지 비아홀(22a, 22b, 22c, 22d)이 배치되어 있다.

여기에서, 상기 접지 비아홀의 수에 따라 오프-상태의 격리도 특성 및 온-상태의 삽입 손실 특성이 달라지는데, 이에 대하여 도 2를 참조하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 상용 시뮬레이터를 이용하여 접지 비아홀의 수에 따른 오프-상태의 격리도 특성 및 온-상태의 삽입 손실 특성을 계산한 결과를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 입력 신호가 접지 비아홀로 흐르는 션트 구조에서는 일반적으로 전송선로와 트랜지스터에 연결된 접지 비아홀의 수(n)가 증가할수록 온-상태의 삽입 손실이 악화되지 않으면서도 오프-상태의 격리도 특성이 향상되는 것을 알 수 있다. 이는 접지 비아홀의 수(n)가 증가할수록 전송선로의 유효 인덕턴스 성분이 감소되어 트랜지스터의 온-상태 임피던스가 감소되기 때문이다.

즉, 본 발명의 스위치 소자(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 대칭적으로 접지 비아홀을 배치시킬 수 있는 단위셀 구조로 되어 있으므로, 접지 비아홀의 수를 증가시키는 것이 매우 용이하며, 이에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 60GHz와 94GHZ의 밀리미터파 대역에서 온-상태의 삽입 손실이 악화되지 않으면서도 -29dB 이상의 우수한 격리도 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 스위치 소자(100)는 상기와 같은 단위셀의 대칭 구조에 의해 회로 레이아웃(layout)이 간단하여 집적회로의 칩 사이즈를 줄일 수 있으며, 이에 따라 제조 공정의 수율과 직접도의 향상을 통해 제조 비용을 감소시킬 수 있는 잇점이 있다.

한편, 상기 입력 전송선로(10)로 입력된 밀리미터파 신호가 누설되는 경우 회로의 격리도 특성이 오히려 악화될 수 있는데, 이를 위해 본 발명에서는 다음과 같이 접지 비아홀에 의해 밀리미터파 신호의 누설을 3차에 걸쳐 차단함으로써 오프-상태의 격리도 특성을 더욱 향상시키며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리 도 스위치 소자(300)의 셀 구조도이며, 도 3b는 도 3a의 스위치 소자(300)의 단면도이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스위치 소자(300)는, 입력 전송선로(10), 출력 전송선로(11), 게이트 전극(12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21)과 드레인 전극(25, 26, 27, 28, 29) 및 소오스 전극(30, 31)으로 이루어진 트랜지스터, 게이트 연결 금속(24a, 24b), 드레인 전극용 에어브릿지 금속(36a, 36b, 36c, 36d, 36e), 소오스 전극용 에어브릿지 금속(32, 33, 34, 35), 제 1 내지 제 4 접지 비아홀(22a, 22b, 22c, 22d), 메사 저항(23a, 23b)을 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스위치 소자(300)는, 제 1 내지 제 4 접지 비아홀(22a, 22b, 22c, 22d)에 의해 온-상태의 삽입 손실을 악화시키지 않으면서도 오프-상태의 격리도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 입력 전송선로(10)로 입력된 밀리미터파 신호가 누설되는 것을 차단함으로써 격리도 특성을 더욱 향상시킬 수 있도록 구성되어 있다.

상기 밀리미터파 신호의 누설 차단에 대하여 더 자세히 설명하면, 우선 입력 전송선로(10)로 입력된 밀리미터파 신호는 1차적으로 드레인 전극(25, 26)과 드레인 전극용 에어브릿지(36a, 36b)를 통해 제 1, 3 접지 비아홀(22a, 22c)로 전달되어 상기 제 1, 3 접지 비아홀(22a, 22c)에 의해 차단된다. 상기 제 1, 3 접지 비아홀(22a, 22c)에서 누설된 밀리미터파 신호는 드레인 전극용 에어브릿지(36e)를 통해 2차적으로 제 3, 4 접지 비아홀(22c, 22d)로 전달되어 상기 제 3, 4 접지 비아 홀(22c, 22d)에 의해 차단된다. 상기 제 3, 4 접지 비아홀(22c, 22d)에서 누설된 밀리미터파 신호는 3차적으로 드레인 전극(27, 28)과 드레인 전극용 에어브릿지(36c, 36d)를 통해 제 2, 4 접지 비아홀(22b, 22d)로 전달되어 상기 제 2, 4 접지 비아홀(22b, 22d)에 의해 차단된다.

즉, 이와 같이 제 1 내지 제 4 접지 비아홀(22a, 22b, 22c, 22d)에 의해 온-상태의 삽입 손실을 악화시키지 않으면서도 오프-상태의 격리도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 밀리미터파 신호의 누설을 3차에 걸쳐 차단함으로써 오프-상태의 격리도 특성을 보다 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 종래의 3단 이상의 트랜지스터 구조로 얻을 수 있는 격리도를 2단 또는 1단의 트랜지스터 구조로도 얻을 수 있으므로, 격리도 향상을 위해 다단계 션트 구조를 사용하지 않아도 되어 스위치 소자의 소형화 및 이에 따른 제조비용의 감소를 도모할 수 있게 된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 스위치 소자에 따르면, 다수의 접지 비아홀에 의해 온-상태의 삽입 손실을 악화시키지 않으면서도 오프-상태의 격리도를 향상시킬 수 있으므로, 스위칭 특성을 이용하는 위상변위기(phase shifter)나 디지털 감쇄기(digital attenuator) 등 밀리미터파 대역 제어회로의 설계 및 제작에 유용한 고격리도 스위치 소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 스위치 소자를 이용하여 스위치 MMIC를 설계할 경우, 격리도 향상을 위해 다단계 션트 전계효과 트랜지스터를 사용하지 않아도 되고, 이를 위한 별도의 λ/4 트랜스포머 전송선로, 인덕터 또는 캐패시터를 스위치 소자 부근에 사용하지 않아도 되므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있으며, 이에 따라 스위치 회로 제조 공정의 수율과 직접도의 향상을 통해 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 입출력 전송선로에 하나 이상의 트랜지스터가 전기적으로 연결되어 이루어진 단위셀을 포함하며,

   상기 입출력 전송선로의 상하부에 대칭적으로 다수의 접지 비아홀이 형성되되, 상기 각 트랜지스터의 소오스 전극 또는 드레인 전극이 상기 각 접지 비아홀에 연결되어 접지되며, 상기 각 트랜지스터의 게이트 전극에 인가된 게이트 전압에 따라 상기 입출력 전송선로로 입력된 밀리미터파 신호가 상기 각 접지 비아홀로 전달되어 상기 각 접지 비아홀에 의해 상기 밀리미터파 신호의 누설이 다단계적으로 차단되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 접지 비아홀의 수가 증가할수록 상기 트랜지스터의 온-상태 임피던스가 감소되어 온-상태의 삽입 손실이 감소되고 오프-상태의 격리도가 증가되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 트랜지스터는 화합물 반도체 트랜지스터 또는 전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기 단위셀에 제 1 내지 제 4 접지 비아홀이 형성된 경우,

   상기 밀리미터파 신호가 상기 제 1, 3 접지 비아홀로 전달되어 1차적으로 누설이 차단되고,

   상기 제 1, 3 접지 비아홀에서 누설된 밀리미터파 신호가 상기 제 3, 4 접지 비아홀로 전달되어 2차적으로 누설이 차단되며,

   상기 제 3, 4 접지 비아홀에서 누설된 밀리미터파 신호가 상기 제 2, 4 접지 비아홀로 전달되어 3차적으로 누설이 차단되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자.
7. 제 1항에 있어서, 상기 단위셀은,

   상기 트랜지스터의 게이트 전극을 연결하기 위한 게이트 연결 금속과,

   상기 트랜지스터의 드레인 전극을 상기 입출력 전송선로에 연결하기 위한 드 레인 전극용 에어브릿지 금속과,

   상기 트랜지스터의 소오스 전극을 상기 입출력 전송선로에 연결하기 위한 소오스 전극용 에어브릿지 금속과,

   상기 트랜지스터의 게이트 전극의 앞단에 배치된 메사 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역 제어회로용 고격리도 스위치 소자.

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