KR102652554B1 - 수직형 pin 다이오드를 이용한 밀리미터파 대역용 전송선로 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 밀리미터파 대역용 전송선로는, 수직형 PIN 다이오드 및 상기 수직형 PIN 다이오드와 동일한 크기의 금속 기둥을 포함하는 다이오드 레이어; 상기 다이오드 레이어 위에 위치하며 밀리미터파 신호를 상기 다이오드 레이어에 전달하기 위한 금속 기둥들을 포함하는 상부 신호 인가 기판; 상기 다이오드 레이어 아래에 위치한 하부 신호 인가 기판; 상기 다이오드 레이어와 상기 상부 신호 인가 기판을 연결하기 위한 상부 접합 필름; 및 상기 다이오드 레이어와 상기 하부 신호 인가 기판을 연결하기 위한 하부 접합 필름을 포함한다. 실시예에 따라 구현된 전송선로는 기존의 SMD 타입의 다이오드에 비해 크기가 매우 작고 중간 기판 내에 실장이 가능한 수직형 PIN 다이오드를 적용함으로써 안테나 및 회로의 설계 자유도를 크게 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 밀리미터파 대역에서 신호를 전달하기 위한 전송선로 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적층형 기판의 단일 전송선로 구조 내에 수직형 PIN 다이오드를 적용함으로써 다양한 응답을 갖는 동시에 높은 설계 자유도를 갖는 전송선로 구조에 관한 것이다.
[지원 과제에 대한 설명]
본 연구는 국립 서울대학교의 교내지원사업인, 서울대학교 창의선도 신진연구자 지원사업(연구과제명: 가변형 비가역 메타물질 안테나/회로 및 레이더 소형화 응용 연구, 과제고유번호: 0668-20200230)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
밀리미터파 기술은 밀리미터(mm) 단위의 파장을 갖는 고주파 대역(30~300GHz)의 주파수 대역을 이용하여 데이터를 전송하는 통신방식으로서 약 800MHz 이상의 대역폭을 이용할 수 있으며, 이러한 넓은 대역폭의 활용을 통해 데이터의 전송속도를 크게 향상시킬 수 있다.
밀리미터파 대역에서 다이오드가 포함된 전송선로를 구현하는 경우, 파장이 매우 짧은 밀리미터파 신호의 특성으로 인해 다이오드에 역방향 전압을 인가할 시 개방 회로가 아닌 커패시터로 동작하여 밀리미터파 신호를 전달하게 된다. 이때 다이오드의 커패시턴스는 전송선로와 공진기를 구현하여 필터 응답을 가지게 된다.
이러한 다이오드의 응답 특성을 활용하여 다양한 회로들이 설계되었으나, 상용 다이오드는 SMD(Surface Mount Device) 타입으로 제작되어 비교적 사이즈가 크고 평면 기판 위에만 실장이 가능하다는 문제점이 있다. 또한 SMD 타입의 다이오드를 이용할 경우 안테나 및 회로의 사이즈가 커질 뿐만 아니라 평면 기판 위에 다이오드를 구현하기 위해서는 전원 인가용 회로 또한 평면 기판 위에 추가로 설계되어야 하며, 적층형 기판 기술을 이용할 경우 중간 기판 내에는 다이오드의 실장이 불가능하여 안테나 및 회로의 설계 자유도가 크게 제한된다.
이에 본 발명의 목적은 반도체 공정 기술 및 적층형 기판 기술을 바탕으로 기판 내에 수직형 다이오드를 구현함으로써, 인가된 전압에 따라 상이한 응답을 나타내면서도 설계 자유도가 높고 소형화가 가능한 밀리미터파 대역용 전송선로 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 밀리미터파 대역용 전송선로는, 수직형 PIN 다이오드 및 상기 수직형 PIN 다이오드와 동일한 크기의 금속 기둥을 포함하는 다이오드 레이어; 상기 다이오드 레이어 위에 위치하며, 밀리미터파 신호를 상기 다이오드 레이어에 전달하기 위한 금속 기둥들을 포함하는 상부 신호 인가 기판; 상기 다이오드 레이어 아래에 위치한 하부 신호 인가 기판; 상기 다이오드 레이어와 상기 상부 신호 인가 기판을 연결하기 위한 상부 접합 필름; 및 상기 다이오드 레이어와 상기 하부 신호 인가 기판을 연결하기 위한 하부 접합 필름을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 수직형 PIN 다이오드는, 상기 상부 접합 필름과 인접한 P형 도핑 영역, 상기 하부 접합 필름과 인접한 N형 도핑 영역, 및 상기 P형 및 N형 도핑 영역 사이에 위치한 진성 반도체 영역으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 접합 필름은, 상기 상부 신호 인가 기판의 금속 기둥들과 전기적으로 연결되는 금속 기둥들을 포함하고, 상기 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드 및 금속 기둥을 각각 상기 상부 접합 필름의 금속 기둥과 전기적으로 연결하기 위한 금속 패턴들을 포함하며, 상기 하부 접합 필름은, 상기 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드와 금속 기둥을 전기적으로 연결하기 위한 금속 패턴을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 다이오드 레이어, 상기 상부 신호 인가 기판, 및 상기 상부 접합 필름의 금속 기둥들은 각 층을 관통하여 다른 층의 금속 기둥 또는 금속 패턴과 접촉하도록 형성되고, 상기 상부 접합 필름의 금속 패턴은, 상기 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드 및 금속 기둥을 각각 상기 상부 접합 필름의 금속 기둥들과 전기적으로 연결하기 위해 상기 다이오드 레이어와 상기 상부 접합 필름 사이에 형성되며, 상기 하부 접합 필름의 금속 패턴은, 상기 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드와 금속 기둥을 전기적으로 연결하기 위해 상기 다이오드 레이어와 상기 하부 접합 필름 사이에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수직형 PIN 다이오드의 지름 및 상기 하부 접합 필름의 금속 패턴의 두께를 조절함으로써 상기 전송선로의 응답 특성을 제어 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 신호 인가 기판의 금속 기둥들은 상기 상부 접합 필름의 금속 기둥들과 솔더 페이스트를 통해 결합될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 신호 인가 기판은, 상기 상부 신호 인가 기판의 금속 기둥들을 그라운드에 연결하기 위한 금속 패턴들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 공정 기술을 이용하여 기판 내에 수직으로 구현된 초소형 PIN 다이오드를 포함하는 전송선로 구조가 제공된다. 이러한 수직형 PIN 다이오드는 인가된 전압에 따라 상이한 응답을 나타내면서도 기존의 SMD 타입의 다이오드에 비해 크기가 매우 작고 중간 기판 내에 실장이 가능하므로 안테나 및 회로의 설계 자유도를 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 측정 환경을 나타낸 회로도이다.
도 5 는 상기한 실시예에 따른 전송선로에서 PIN 다이오드의 ON / OFF에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 측정 환경을 나타낸 회로도이다.
도 5 는 상기한 실시예에 따른 전송선로에서 PIN 다이오드의 ON / OFF에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 구조를 나타낸 사시도이다. 도 1과 같이 실시예에 따른 전송선로(1)는 다이오드 레이어를 중심으로 상부 및 하부 신호 인가 기판이 상부 및 하부 접합 필름을 통해 다이오드 레이어에 접합된 적층 구조로 이루어지며, 중간 기판인 다이오드 레이어에 수직형 PIN 다이오드를 구현함으로써 전송선로에 인가된 전압에 따라 필터 응답을 나타낼 수 있다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 전송선로(1)는, 수직형 PIN 다이오드가 구현된 다이오드 레이어(10); 상기 다이오드 레이어(10) 위에 위치하는 상부 신호 인가 기판(20); 상기 다이오드 레이어(10) 아래에 위치한 하부 신호 인가 기판(30); 상기 다이오드 레이어(10)와 상기 상부 신호 인가 기판(20)을 연결하기 위한 상부 접합 필름(25); 및 상기 다이오드 레이어(10)와 상기 하부 신호 인가 기판(30)을 연결하기 위한 하부 접합 필름(30)으로 구성될 수 있다.
다이오드 레이어(10)는 수직형 PIN 다이오드(101) 및 상기 수직형 PIN 다이오드(101)와 동일한 크기의 금속 기둥(102)을 포함한다. 수직형 PIN 다이오드(101)는 반도체 공정 기술을 통해 형성되며, P형 도핑 영역(상부 접합 필름(25)과 인접한 영역), N형 도핑 영역(하부 접합 필름(35)과 인접한 영역), 상기 P형 및 N형 도핑 영역 사이에 위치한 진성 반도체 영역으로 구성된다. 금속 기둥(102)은 출력 신호의 측정을 위해 PIN 다이오드(101)의 맞은 편에 대칭 구조로 형성된다.
다이오드 레이어(10)의 상면은 상부 접합 필름(25)을 통해 상부 신호 인가 기판(20)과 연결되며, 하면은 하부 접합 필름(35)을 통해 하부 신호 인가 기판(30)과 연결된다. 상부 및 하부 접합 필름(25, 35)은 각 면의 접합 물질을 통해 다이오드 레이어(10) 및 상부 및 하부 신호 인가 기판(20, 30)에 접착된다. 또한, 이들 기판을 관통하는 금속 기둥들은 솔더 페이스트를 통해 전기적으로 연결된다. 즉, 도 2에서 상부 신호 인가 기판(20)의 금속 기둥들(201, 202)은 각각 상부 접합 필름(25)의 금속 기둥들(251, 252)과 전기적으로 연결되며, 각 레이어를 관통하는 금속 기둥들(103, 203, 253, 303, 353) 또한 전기적으로 연결되어 단일 회로를 구성한다.
도 3은 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 3을 참조하면, 상부 접합 필름은 상부 신호 인가 기판의 금속 기둥들(201, 202)과 전기적으로 연결되는 금속 기둥들(251, 252)을 포함하고(전술하였듯이 이들 금속 기둥은 솔더 페이스트를 통해 연결됨), 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드(101) 및 금속 기둥(102)을 각각 상부 접합 필름의 금속 기둥들(251, 252)과 전기적으로 연결하기 위한 금속 패턴들(255, 256)을 포함한다. 상부 접합 필름의 금속 패턴들(255, 256)은 반도체 공정을 통해 상기 다이오드 레이어와 상부 접합 필름 사이에 형성될 수 있다. 또한, 하부 접합 필름은 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드(101)와 금속 기둥(102)을 전기적으로 연결하기 위한 금속 패턴(355)을 포함하며, 이는 다이오드 레이어와 상기 하부 접합 필름 사이에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 다이오드 레이어(10)의 두께는 5um로 고정한 후 PIN 다이오드(101)의 지름과 PIN 다이오드(101)와 금속 기둥(102)을 연결하는 금속 패턴(355)의 두께를 조절함으로써 전송선로의 응답 특성을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, Ground coplanar waveguide (GCPW) 구조의 전송선로를 구현하기 위해 최하단층의 금속 패턴들과 최상단층의 금속 패턴들은 전기적 도통이 이루어져 있으며, 도 2와 같이 각 레이어를 관통하는 다수의 금속 기둥들(103, 203, 253, 303, 353)을 통해 균일하게 그라운드와 연결된다. 도 1 및 도 3에 도시된 것처럼, 밀리미터파 대역의 측정을 위해 상부 신호 인가 기판 위에는 금속 패턴들(205, 206)이 형성되며, 상기 금속 패턴들(205, 206)은 금도금되어 프로브와 접촉하도록 구성되어 있다.
최상단층의 금속 패턴은 CPW 타입의 구현을 위해 양 끝에 그라운드 금속과 중앙에 있는 신호 금속부로 구성되어 있다. 신호 금속부는 밀리미터파 대역 프로브의 크기 50um와 비아홀 공정을 위한 최소 공정 단위 300um로 인해 직사각형이 아닌 mitering 방식이 적용된 라인이 사용되었으며, 입력부를 통해 입력된 신호를 금속 패턴을 통해 신호 인가 기판의 아래에 위치한 접합 필름으로 전달한다. 접합 필름과 수직으로 구현된 PIN 다이오드 또한 금속 패턴으로 연결되어 있으며 대칭성을 위해 PIN 다이오드의 반대편에 같은 크기로 구현된 금속 기둥을 통해 신호를 전달한다.
도 4는 일 실시예에 따른 수직형 PIN 다이오드를 이용한 전송선로의 측정 환경을 나타낸 회로도이다. 도 4를 참조하면, 벡터 네트웍 분석기를 통해 전송선로의 S-파라미터 특성을 분석하고 PIN 다이오드에 적절한 전압을 인가하기 위해 바이어스 티(Bias tee)를 사용한다. 입력부에 바이어스 티를 연결한 후 밀리미터파 대역의 프로브를 연결하여 캘리브레이션을 통해 디-임베딩(de-embedding)을 수행한다. 그 후 프로브와 금도금 패턴과의 접촉을 통해 신호를 인가하고, 그 결과를 벡터 네트웍 분석기를 통해 추출한다. 또한 바이어스 티를 통해 전압을 0V부터 2V까지 순차적으로 인가하여 PIN 다이오드의 상태를 ON, OFF로 조절한다.
도 5는 상기한 실시예에 따른 전송선로에서 PIN 다이오드의 ON / OFF에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 빨간색 그래프는 PIN 다이오드가 OFF일 때의 S-parameter 분석 결과이며 파란색 그래프는 PIN 다이오드가 ON 상태일 때의 S-parameter 결과를 나타내고 있다. PIN 다이오드가 ON 상태일 때는 전송선로의 특성에 의해 약 31 GHz를 중심 주파수로 하는 신호의 투과 특성이 나타난다. 이와 반대로 PIN 다이오드가 OFF일 때는 PIN 다이오드가 커패시터로 모델링되어 투과 특성의 중심 주파수가 이동하게 된다. 도 5에서 PIN 다이오드 OFF시, 신호의 투과가 26 GHz를 중심 주파수로 가지고 발생하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 PIN 다이오드의 ON/OFF에 따라 신호의 투과 특성이 중심 주파수 기준 약 5 GHz가 변화하는 것을 확인할 수 있다. 또한 26 GHz에서 PIN 다이오드의 ON state의 S11은 약 -5 dB로 매우 적은 양의 신호만이 전송되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 각 state의 투과 특성이 관찰되는 중심 주파수에서 반대 state의 경우 신호의 반사가 일어나게 되어 신호의 투과가 일어나지 않는 점 또한 확인할 수 있다.
전술한 실시예에 따르면, 반도체 공정 기술을 이용하여 기판 내에 수직으로 구현된 초소형 PIN 다이오드를 포함하는 전송선로 구조가 제공된다. 이러한 수직형 PIN 다이오드는 인가된 전압에 따라 상이한 응답을 나타내면서도 기존의 SMD 타입의 다이오드에 비해 크기가 매우 작고 중간 기판 내에 실장이 가능하므로 안테나 및 회로의 설계 자유도를 크게 향상시킬 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 수직형 PIN 다이오드 및 상기 수직형 PIN 다이오드와 동일한 크기의 금속 기둥을 포함하는 다이오드 레이어;
상기 다이오드 레이어 위에 위치하며, 밀리미터파 신호를 상기 다이오드 레이어에 전달하기 위한 금속 기둥들을 포함하는 상부 신호 인가 기판;
상기 다이오드 레이어 아래에 위치한 하부 신호 인가 기판;
상기 다이오드 레이어와 상기 상부 신호 인가 기판을 연결하기 위한 상부 접합 필름; 및
상기 다이오드 레이어와 상기 하부 신호 인가 기판을 연결하고, 상기 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드와 금속 기둥을 전기적으로 연결하기 위한 금속 패턴을 포함하는 하부 접합 필름을 포함하고,
상기 수직형 PIN 다이오드의 지름 및 상기 하부 접합 필름의 금속 패턴의 두께를 조절함으로써 전송선로의 응답 특성을 제어할 수 있는, 수직형 PIN 다이오드를 이용한 밀리미터파 대역용 전송선로.
- 제1항에 있어서,
상기 수직형 PIN 다이오드는, 상기 상부 접합 필름과 인접한 P형 도핑 영역, 상기 하부 접합 필름과 인접한 N형 도핑 영역, 및 상기 P형 및 N형 도핑 영역 사이에 위치한 진성 반도체 영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 수직형 PIN 다이오드를 이용한 밀리미터파 대역용 전송선로.
- 제1항에 있어서,
상기 상부 접합 필름은, 상기 상부 신호 인가 기판의 금속 기둥들과 전기적으로 연결되는 금속 기둥들을 포함하고, 상기 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드 및 금속 기둥을 각각 상기 상부 접합 필름의 금속 기둥과 전기적으로 연결하기 위한 금속 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수직형 PIN 다이오드를 이용한 밀리미터파 대역용 전송선로.
- 제3항에 있어서,
상기 다이오드 레이어, 상기 상부 신호 인가 기판, 및 상기 상부 접합 필름의 금속 기둥들은 각 층을 관통하여 다른 층의 금속 기둥 또는 금속 패턴과 접촉하도록 형성되고,
상기 상부 접합 필름의 금속 패턴은, 상기 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드 및 금속 기둥을 각각 상기 상부 접합 필름의 금속 기둥들과 전기적으로 연결하기 위해 상기 다이오드 레이어와 상기 상부 접합 필름 사이에 형성되며,
상기 하부 접합 필름의 금속 패턴은, 상기 다이오드 레이어의 수직형 PIN 다이오드와 금속 기둥을 전기적으로 연결하기 위해 상기 다이오드 레이어와 상기 하부 접합 필름 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는, 수직형 PIN 다이오드를 이용한 밀리미터파 대역용 전송선로.
- 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 상부 신호 인가 기판의 금속 기둥들은 상기 상부 접합 필름의 금속 기둥들과 솔더 페이스트를 통해 결합되는 것을 특징으로 하는, 수직형 PIN 다이오드를 이용한 밀리미터파 대역용 전송선로.
- 제1항에 있어서,
상기 상부 신호 인가 기판은, 상기 상부 신호 인가 기판의 금속 기둥들을 그라운드에 연결하기 위한 금속 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수직형 PIN 다이오드를 이용한 밀리미터파 대역용 전송선로.
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2021
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