MMIC란?
MMIC는 주로 마이크로파의 증폭, 스위칭, 믹싱 등의 기능을 하나의 반도체 기판에 집적화한 집적회로(IC)를 말합니다.
‘Monolithic Microwave Integrated Circuit’의 약자로 모놀리식 마이크로웨이브 집적회로를 뜻한다. 집적회로에는 하이브리드 집적회로와 모놀리식 집적회로 두 가지가 있는데, 필요한 소자를 하나의 기판에 집적하여 기능을 부여한 것을 모놀리식 집적회로라고 합니다.
반면, 하이브리드 집적회로는 모놀리식 집적회로 등을 고밀도로 집적하여 마더보드나 모듈 기판 위에 하나의 집적회로로 만든 것입니다.
MMIC의 사용 용도
MMIC는 스마트폰으로 대표되는 휴대단말기, 센서를 활용한 RFID 등 통신, 기지국용 송수신 IC, 위성방송 수신기 등 주로 마이크로파를 통신에 사용하는 용도로 활용되고 있습니다. 기존의 개별 부품을 조합해 만드는 MIC(마이크로파 집적회로)에 비해 납땜 부분 등이 없어 고장 발생 빈도가 낮은 것이 특징입니다.
또한, 부품 수가 적기 때문에 MMIC를 활용하면 소형화, 경량화, 저비용화에 기여할 수 있습니다.
MMIC의 원리
MMIC의 원리는 마이크로파 집적회로를 구성하는 데 적합한 재료인 GaAs, SOI 등의 반절연성 반도체 기판 위에 수동소자인 인덕터와 커패시터를 형성하여 고주파 손실을 억제하고, 동작속도가 우수한 능동소자인 바이폴라 트랜지스터 등을 이용하여 아날로그 집적회로를 만드는 점에 있습니다.
MMIC에서 자주 사용되는 능동소자로는 MESFET, HEMT, HBT, MOSFET 등이 있으며, GaAs, GaN, SOI와 같은 화합물 반도체 재료나 절연성이 우수한 반도체 기판에서 만들어지는 경우가 많습니다.
반도체 재료에 따라 전자의 이동도나 밴드갭 에너지가 다르기 때문에 동작 주파수나 내압 등 요구되는 사양에 적합한 물성의 반도체를 선택하면 고출력이나 고주파에 대응할 수 있습니다. 수동 소자를 사용하는 목적은 주로 인덕터, 커패시터, 저항이 마이크로파 회로의 임피던스 정합을 위해 사용됩니다.
인덕터는 고임피던스 선로와 나선형 인덕터가 많이 사용됩니다. 커패시터는 유전체-대향전극이 샌드위치와 같은 구조를 취한 MIM 구조와 빗살형 전극을 늘어놓은 구조를 가진 것 등이 있습니다.
MMIC의 기타 정보
1. 마이크로웨이브용 MMIC의 사례
마이크로웨이브용 MMIC의 대표적인 사례로는 GaAs 기판상의 MMIC, SOI-CMOS나 SiGe 기판상의 MMIC 등을 들 수 있습니다. 스마트폰에 사용되는 셀룰러용 고주파 전력 증폭기나 저잡음 증폭기, WiFi 통신용 고주파 전력 증폭기나 안테나 주변의 송수신 경로 전환용 스위치는 일반적으로 GaAs 기판상의 MMIC나 SOI-CMOS의 MMIC가 많이 사용되고 있습니다.
그 이유는 기지국으로의 수 GHz 대역의 마이크로파 전파 전송을 위해 수 W급 전력을 증폭하여 출력해야 하기 때문에 높은 증폭률과 고효율을 겸비한 트랜지스터를 형성할 수 있고, 고주파수용 정합(매칭) 회로에 사용되는 커패시턴스 및 스파이럴 인덕터 도 높은 Q값을 확보할 수 있는 GaAs 기판이나 SOI 기판상의 MMIC가 적합하기 때문입니다.
또한, 트랜지스터는 HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)가 많이 사용됩니다. 이는 MOCVD 성막 기술을 활용하여 상대적으로 변동성 제어가 용이하고, HEMT 소자처럼 음극 바이어스가 필요하지 않기 때문입니다.
2. 밀리미터파 애플리케이션용 MMIC의 사례
MMIC가 아니면 구성이 까다로운 애플리케이션으로는 5G의 특히 밀리미터파 통신용 사례와 충돌방지 차량용 레이더용 밀리미터파 애플리케이션을 들 수 있다. 이 경우 액티브 소자는 주파수 특성이 우수한 GaAs의 HEMT 디바이스나 InP 계열의 HBT, Si 계열의 미세 SOI-CMOS나 SiGe HBT를 사용하는 것이 일반적입니다.
소자의 특성을 가늠할 수 있는 성능 지표로 컷오프 주파수(fT)나 최대 발진 주파수(fmax)를 많이 사용하지만, 차세대 통신 표준인 Beyond5G나 6G를 위한 Sub-THz 영역 등의 경우 이 주파수를 증폭할 수 있는 반도체 소자는 매우 제한적입니다. 예를 들어, D-band 140GHz를 다루는 반도체 소자로서 fT는 적어도 두 배 이상인 300GHz 정도가 필요합니다.
패시브 소자도 밀리파 대역의 경우 전송 손실이 매우 커지기 때문에 개별 구성보다는 MMIC화하여 집적화함으로써 각 회로 블록 간의 전송 손실을 최대한 억제하는 기술이 필수적입니다. 밀리미터파 대역의 애플리케이션에서는 그 전력을 얻기 위해 빔포밍이라는 안테나 어레이 기술도 MMIC와 함께 사용되고 있으며, Beyond5G나 6G 통신을 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있는 상황입니다.