- MMIC회로소자 기술 및 출원동향

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무선통신 시스템시장이 하루가 다르게 증가하고 있으며, 여기에
상응한 무선통신시스템의 요구를 충족시키기 위해 부각된 것이 대량의
정보를 빠르게 처리할 수 있는 고주파반도체소자이다. 대규모의 통신
용량을 수용하기 위하여 사용주파수가 점차 높아지게 되었으며 고성능
및 고속의 통신시스템을 요구하게 되었고 이는 초고속 고주파 반도체
소자의 필요성을 한층 부각시키게 되었다.
과거에는 고주파 무선통신용 소자 또는 회로를 구현함에 있어서 수동
소자나 단일 부품 등을 사용하였으나 고주파에서의 신뢰성에 문제가
있어 반도체 기술을 이용한 소자의 사용이 늘고있는 추세이며, 이와
더불어 고주파 특성이 우수하고, 신호 크기에 따른 특성 변화가
적으며, RF단의 여러 소자들을 단일 칩으로 집적 가능하게 한 정보
통신용 부품으로서 MMIC의 개발이 급진전되고 있으며, 그 중요성이
나날이 증가하고 있다.
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O 현대사회의 다양화와 전문화에 따른 신속한 정보교환의 필요성에 의하여
언제 어디서나 통화가 가능한 다양한 무선이동통신 시스템시장이 빠른
속도로 증가하고 있다. 이러한 무선이동통신 기술의 핵심이 고주파반도체
소자이며, 통상 GHz대 이상의 고주파수 대역 신호를 고속처리할 수 있는
고주파시스템에 사용되는 고주파소자 중 반도체공정을 이용하여 제작된
반도체소자를 총칭하여 고주파반도체소자라 한다.

O 위성 및 정보통신 분야에 있어서 정보통신 기술발달과 함께 다양한
미디어가 나타나기 시작했고 공간적 시간적 제약에서 벗어날 수 있는
무선 및 이동통신에서도 이러한 다양한 미디어가 요구되기에 이르렀다.
그러나, 기존의 무선 및 이동통신 주파수대역에서는 현재 사용자가
원하는 만큼의 충분한 정보를 제공할 수 없을뿐더러 많은 기존 공중파
사업자와 통신업자들이 점유하고 있어 새롭게 출현하고 있는 고품질의
무선 및 이동통신 멀티미디어 서비스들은 아직 사용하고 있지 않은 더
높은 고주파영역으로 자리를 잡게 되었다. 이에 따라 새롭게 부각된
것이 고주파회로의 핵심소자인 고주파반도체소자이다.

O 무선통신시장이 활성화되면서 무선통신시스템이 대중화되었으며 사용자
가 급속히 늘어나게 되었고, 대량의 통신용량을 수용하기 위하여 사용
주파수가 점차 높아지고 있으며, 무선통신시스템의 활성화와 고성능
통신시스템에 대한 요구의 증가는 초고속 고주파반도체소자의 필요성을
한층 부각되게 하였다.

O 이동통신을 무선통신의 기술발전단계로 구분할 때 제1세대는 아날로그
이동통신, 제2세대는 디지털이동통신, 제3세대는 IMT-2000의 차세대
통신으로 구분되며 해를 거듭할수록 새로운 기술을 이용한 서비스가
제공되고 있다.

O 정보화사회의 통신수단인 무선통신기술에서 신호를 주고 받는 기능을
하는 송수신부품은 가장 중요한 부품의 하나로 시스템의 성능을 좌우
하므로 시스템의 경쟁력을 확보하기 위해서는 부품의 집적화에 의한
소형화, 저가격화, 고신뢰성이 요구되는 한편 고기능화가 요구되고
있다.

O 이동통신용 고주파반도체부품은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체와 Si 반도체에
의하여 주로 제작되고 있으며, 이동통신용 무선단말기에서의 기술적요구
사항은 가능한 가장 낮은 전력에서 사용 가능한 기능 블록의 운용주파수
이고, 또 다른 하나는 시스템의 성능요구사항이다. 이러한 단말기는
소형화, 경량화 및 저소비전력형의 고주파반도체소자를 요구하고 있어
현재까지는 주로 GaAs화합물 반도체가 이용되고 있으나, 향후 2-3년
후에는 Si 반도체기술로도 2GHz이하의 고주파반도체소자의 성능을 만족
시킬 수 있을 것으로 예측된다.

O 고주파 반도체 소자를 집적의 정도에 따라서 HMIC(Hybrid Microwave
IC), MMIC(Monolithic Microwave IC) 및 개별소자로 분류할 수 있으며,
기능적으로는 저잡음 증폭기, 주파수 혼합기 등으로 구분할 수도 있지만
각 기능회로에서 사용하는 기술이 서로 독립적이지 않고 중첩되어 있다.
즉, 기술의 효과 면에서 증폭도를 향상시키기 위해 저잡음 증폭기에
적용한 기술은 주파수 혼합기, 전력증폭기 등 다른 회로에도 적용이 가능
하고, 효율을 개선하기 위해 전력 증폭기에 사용한 기술은 저잡음 증폭
기에도 적용이 가능하다.

O 기존의 마이크로파회로는 HMIC(Hybrid Microwave IC)가 주류를 이루
었으나, 80년대 이후에는 초고주파 반도체기술의 급속한 발전에 힘입어
능동소자와 수동소자를 하나의 반도체 기판위에 일관공정으로 제작하는
고주파집적회로인 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)로
무게 중심이 이동되는 추세다.

O 수동소자는 유전체 기판위에 구현되고, 능동소자(고주파트랜지스터)는
반도체 상에 제작되어 표면실장(surface mount technology)이나 와이어
본딩 등의 방법을 이용하여 수동소자(저항, 커패시터, 인덕터)와 연결
하여 집적회로를 구성한 것이 HMIC(Hybrid Microwave IC)이며, 일반적
으로 중전력, 전력, 고전력 HMIC 모듈을 포함하고, 단일 패키지에 포함
된 하나 이상의 다이로 구성된 하이브리드 반도체의 형태를 갖고 있고,
MESFET, HEMT/PHEMT, HBT, 바이폴라, MOSFET 등의 기술을 이용한 회로
소자를 HMIC라 한다

O 화합물반도체의 응용부품으로 고주파특성이 우수하고 선형성이 우수하며
송수신단의 여러소자들을 단일칩(Monolithic)으로 집적이 가능하게 한
정보통신용부품이 MMIC(Monolithic Microwave IC)이며, MMIC는 능동
소자와 수동소자가 단일의 기판위에서 구현된 회로형태를 말한다. 일반적
인 하이브리드 회로에서는 수동소자는 유전체 기판위에 구현되고 능동
소자는 반도체 상에 제작되어 표면실장(surface mount technology)이나
와이어 본딩 등의 방법을 통하여 수동소자와 연결하지만, MMIC에서는
능동소자의 기판으로 사용되는 반도체를 수동소자의 제작에도 그대로
이용하여 별도의 연결수단 없이 한 기판위에 마이크로파 회로 동작에
필요한 모든 RF소자를 구현한다

O MMIC는 모든 능동소자와 수동소자들이 하나의 기판 위에서 구현된 회로
로서, 능동소자의 기판으로 사용되는 반도체를 수동소자의 제작에도
그대로 이용하여 별도의 연결수단 없이 한 기판 위에 마이크로파 회로
동작에 필요한 모든 고주파반도체소자를 구현함으로써, 크기와 무게가
하이브리드 형태에 비하여 수십 배에서 수백배이상 작아지는 장점으로
인하여 휴대전화기 같은 경우 점차 경량화, 소량화 추세이므로 작은
칩 크기를 갖는 MMIC의 수요가 늘어날 것이 예상된다.

O 칩의 크기가 작아질수록 한 웨이퍼에서 생산되는 칩의 개수가 늘어나므
로 공정원가는 줄게되고 생산 단가가 낮아지므로 칩의 소형화는 중요한
요소가 되고, MMIC의 중요한 설계 사양 중의 하나는 칩의 소형화이며
이를 줄이기 위한 여러 가지 설계기법이 연구되고 있다.

O MMIC의 장점으로는 와이어 본딩 등의 외부적인 연결수단을 최소화 할
수 있다는 점이며, 와이어 본딩이 과정이 생략됨으로써 패키징 단가를
줄일 수 있고 와이어 본딩과정에서 기인하는 비반복성과 신뢰성 문제를
최소화 할 수 있다.

O 본드 와이어 및 패키지의 기생효과로 인하여 하이브리드 형태의 가용
주파수 대역은 30㎓ 이하로 한정되어 있었으나 본드 와이어를 쓰지 않는
MMIC기술은 평면형 마이크로파 회로의 경우 가용주파수 대역이 밀리미터
파(30㎓ 이상)까지 가능한 장점을 가진다

O MMIC는 소형 경량 고효율이며, 설계 및 운용상 유연성(Flexibility)이
높은 트랜지스터를 능동소자로 사용하고 있으며, 현재 마이크로파 대역
의 전력 증폭 소자로 가장 널리 쓰이고 있는 기술은 MESFET(Metal
Semiconductor Field Effect Transistor)이며, 11단계의 마스크 공정을
거치는, 실리콘(Si) 기술로도 가능한 비교적 제작이 용이한 기술이고,
그외의 기술로는 HEMT(High Electron Mobility Transistor)/
PHEMT(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)이 있으며,
동작 성능과 주파수를 강화하는 GaAs/GaAlAs접합을 만들기 위하여 GaAlAs
와 같은 재료를 사용하는 이종접합(Heterojunction process) 등도 사용
되고 있다.

O MMIC에 사용되는 또 다른 기술로는 단일의 양전원 전압에서 동작하는
HBT(Heterojuction Bipolar Transistor)가 있으며, PHEMT기술에 사용
되는 것과 유사한 이종구조가 사용되고 PHEMT, HBT 모두 MESFET소자보다
더 높은 차단주파수(Cutoff frequency)와 최고 발진 주파수를 가진다.

O 밀리미터파 대역에서는 MESFET보다 동작주파수가 높고 전력이득과 효율
및 잡음지수 특성이 좋으면서 공정이 상대적으로 간단한 HEMT계열이 전력
증폭 소자로 유망하다.

O 고주파반도체 시장은 1990년 후반 이동 통신 시장의 폭발적인 성장에
따라 매년 20% 이상 성장하였으며, 1998년 무선통신용 고주파반도체
시장 규모는 54억 달러였으나 1999년에는 65억 달러, 2004년에는 170억
$를 상회할 것으로예측되고, 이러한 고주파반도체소자 시장을 주도하기
위해서는 상당한 기술경쟁력이 요구된다 할 것이다.

O DRAM시장이 하강국면으로 접어들면서 2005년까지 산업성장을 위축시킬
것으로 예상반면에 무선응용반도체소자의 매출액은 컴퓨터어플리케이션
반도체매출액보다 훨씬 더 빠른 속도로 성장하여 2004년경에는 무선응용
반도체는 전체반도체시장의 15%를 점할 것으로 예상되어 무선산업은
가장 확실한 성장산업이라고 할 수 있다. 이러한 시장경제적 유인 및
우리의 고주파반도체소자의 소비가 전세계 생산량의 약6%에 달함에도
불구하고 그 생산기반은 절대적으로 취약하여 고주파반도체소자의 각
분야에서 상위에 위치하는 기업이 하나도 없는 실정이어서 그만큼
비메모리분야인 고주파반도체소자의 개발 및 육성정책의 절실함을
보여 준다고 할 것이다.

O 무선응용 고주파반도체소자의 입지확보는 그리 쉬운 일은 아니다. 제품
개발과 설계에 막대한 자금이 소요되며 제품의 개발이 완료되어 성능의
검증이 이루어졌다고 하더라도 고주파반도체소자의 기술에 대한 원천
특허를 가진 선진외국 기업들의 기술 견재는 더욱 심하여 질 것이므로
특허분쟁이 일어날 여지가 있다고 할 수 있다. 고주파반도체 관련 연구
개발은 벤처기업을 중심으로 일부 대기업만이 참가하고 있는 것이
우리의 현실이고 보면, 고주파반도체소자기술에 대한 기술개발의 노력과
더불어 선진 외국업체의 특허동향을 면밀히 검토하고 또한 개발된
기술에 대하여 특허를 확보하고 관리를 철처히 함으로써 선진외국업체의
특허분쟁에 휘말리지 않고 이에 대응하는 수단을 강구하여야 할 것이다.

<첨부> 표1. 출원연도별 출원추이
2. 고주파반도체 세계시장 현황 및 향후전망

* 문의 : 심사4국 반도체1심사담당관실
반성원 사무관. 전화 042)481-5982