KR100761476B1 - 반도체를 이용한 멤스 rf-스위치 - Google Patents
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Abstract
교류신호전달동작을 ON/OFF 제어하는 멤스 RF-스위치가 개시된다. 본 멤스 RF-스위치는, 외부 전원의 일단자와 연결된 제1전극, 제1전극의 상부표면에 결합하며, 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 전위배리어(barrier)를 형성하여 절연성을 띄게 되는 반도체층, 및 반도체층과 일정거리 이격된 위치에 제작되며, 전원의 타단자와 연결되어 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 반도체층과 접촉하는 제2전극을 포함한다. 이에 따라, 바이어스 신호가 인가된 후 끊어지더라도 반도체층 내부에서 전자 및 정공의 재결합으로 인해 전하 축적 현상 및 이로 인한 스티킹 현상 등이 사라지게 된다.
멤스, 반도체, PN-정션 다이오드, 전위배리어
Description
도 1은 종래의 멤스 RF-스위치의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 도 1의 멤스 RF-스위치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 RF-스위치의 구성을 나타내는 도면,
도 4는 도 3에 도시된 RF-스위치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 3에 도시된 RF-스위치의 동작원리를 설명하기 위한 도면,
도 6 내지 8은 각각 본 발명의 또다른 실시예에 따른 RF-스위치의 구성을 나타내는 도면, 그리고,
도 9는 도 3에 도시된 RF-스위치를 캔틸레버 형태로 제조한 경우의 구성을 나타내는 도면이다.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 기판 110, 210, 310, 410 : 제1전극
120 : 반도체 130, 240, 340, 440 : 제2전극
220, 430 : P형 반도체 230, 330 : N형 반도체
320 : P형 기판 420 : N형 기판
140, 250, 350, 450 : 전원
본 발명은 바이어스 전압에 의해 교류신호를 통과시키는 RF-스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 제1전극 및 제2전극 사이에 반도체층을 제작하여 전하축적현상 및 스티킹(sticking) 현상을 방지하도록 하는 RF-스위치에 관한 것이다.
최근, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술의 발달에 따라 멤스 RF-스위치가 개발되고 있다. 멤스 RF-스위치는 기존 반도체 스위치에 비하여 스위치 ON시 낮은 삽입 손실을 가지며, 스위치 OFF시 높은 감쇄특성을 나타낸다. 또한, 스위치 구동전력도 반도체 스위치에 비하여 상당히 적게 사용되고, 적용 주파수 범위도 상당히 높아 대략 70GHz까지 적용할 수 있다는 장점이 있다.
멤스 RF-스위치는 양전극 사이에 절연층(Insulator)가 위치하는 MIM(Metal/Insulator/Metal)구조로 제작된다. 이에 따라, 멤스 RF-스위치에 바이어스 전압이 인가되면, 커패시터로써 동작하게 되어 교류신호를 통과시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래의 멤스 RF-스위치의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 1에 따르면, 멤스 RF-스위치는 기판(11), 제1전극(12), 절연층(13), 및 제2전극(15)을 포함한다. 도 1의 멤스 RF-스위치는 제2전극(15)이 제1전극(12) 및 절연층(13)을 패키징하고 있는 캡(cap)구조의 스위치로써, 제2전극 및 절연층(13) 사이에는 에어갭 (14)이 존재한다.
도시된 바와 같은 방향으로 바이어스 전압(Vbias)이 인가되면 제2전극(15)이 열팽창되어 화살표방향으로 이동하여 절연층(13)과 접촉하게 된다. 이에 따라, 제1전극(12), 절연층(13) 및 제2전극(15)은 커패시터로 동작하게 되므로, RF-스위치가 온(ON)되어 소정 주파수 대역의 RF신호를 통과시키게 된다. 한편, 바이어스 전압(Vbias)를 인가하지 않으면, 제2전극(15)은 수축하여 절연층(13)과 떨어지게 된다. 결과적으로, RF-스위치가 오프(OFF)되어 RF신호를 통과시키지 못하게 된다.
한편, 바이어스 전압이 인가되면, 제2전극(15)에는 (+)전하, 제1전극(12)에는 (-)전하가 대전된다. 도 1의 우측에는 이상적인 RF-스위치에서 제1전극(12), 절연층(13), 및 제2전극(15)에 각각 대전되는 전하량을 나타내는 그래프가 도시되고 있다. 도면에 따르면, 제1전극(12)의 위치(0 ~ x1)에서는 -Qp의 전하가 대전되고, 제2전극(15)의 위치(x3 ~ x4)에서는 +Qp의 전하가 대전된다. 이러한 상태에서 바이어스 전압이 끊어지게 되면 전하량은 다시 0이 된다. 한편, 바이어스 전압이 인가되거나 끊어지더라도 절연층(13)에서의 전하량은 0으로 유지된다.
하지만, 실제로는 절연층(13)에 전하축적(charge buildup)현상이 발생하여, 전하량이 0으로 검출되지 않게 된다.
도 2는 실제 RF-스위치에서 발생하는 전하축적 현상 및 이로 인한 스티킹 현상을 설명하기 위한 모식도이다. 도 2의 (a)는 Vbias가 인가된 경우로써, 제1전극(12)에서는 -Qp전하가 대전되고, 제2전극(15)에서는 +Q1전하가 대전된다. 이 경우, 절연층(13)에서는 +Q2만큼의 전하가 축적된다. Q1 및 Q2간에는 Q1+Q2=QP의 관계가 성립한다. 이에 따라, 바이어스가 인가되더라도 +Q2 이상의 전하량으로 제2전극(15)이 대전될 때까지는, 절연층(13)에 대전된 +Q2 전하에 의해 척력이 작용하게 된다. 따라서, 일정 크기의 바이어스 전압을 걸어주기 전까지는 RF-스위치가 온(ON)되지 않게 되므로, 스위칭 타임이 길어진다는 문제점이 있었다.
한편, RF-스위치가 온(ON)된 후에 바이어스가 끊어지더라도 절연층(13)에 축적된 +Q2전하에 의해, 제1전극(12)에는 -Q2만큼의 전하가 대전되게 된다. 이에 따라, 제2전극(15)이 절연층(13)과 떨어지지 않게 되는 스티킹(sticking) 현상이 발생하게 된다. 이에 따라, 바이어스 전압을 끊어도 RF-스위치가 오프(OFF)되지 않을 수 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 양전극 사이에 반도체를 제작하여 전하축적 현상 및 이로 인한 스티킹 현상을 방지할 수 있는 멤스 RF-스위치를 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 RF-스위치는, 전원의 일단자와 연결된 제1전극, 상기 제1전극의 상부표면에 결합하며, 상기 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 전위배리어를 형성하여 절연성을 띄게 되는 반도체층, 및 상기 반도체층과 일정거리 이격된 위치에 제작되며, 상기 전 원의 타단자와 연결되어 상기 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 상기 반도체층과 접촉하는 제2전극을 포함한다.
바람직하게는, 상기 반도체층은, P형 반도체층 및 N형 반도체층을 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 멤스 RF-스위치는 상기 제1전극의 하부표면에 결합하여, 상기 제1전극, 상기 반도체층, 및 상기 제2전극을 지지하는 기판을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 제2전극은 상기 기판 상에서 상기 반도체층과 일정거리 이격된 상태로 상기 제1전극 및 상기 반도체층을 덮는 캡(cap) 구조, 또는, 상기 기판상의 일정영역에 결합한 지지부 및 상기 지지부에 의해 지지되어 상기 반도체층과 일정거리 이격되는 돌출부를 포함하는 캔틸레버(cantilever)구조로 제작될 수 있다.
한편, 상기 반도체층은, 진성 반도체, P형 반도체, 및 N형 반도체 중 하나의 물질로 제작될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 멤스 RF-스위치는, 상부 표면의 일정영역이 N형 반도체로 도핑된 P형 기판, 상기 P형 기판의 하부표면과 결합하며, 외부 전원의 일단자와 연결된 제1전극, 및 상기 N형 반도체와 일정거리 이격된 위치에 제작되며, 상기 전원의 타단자와 연결되어 상기 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 상기 N형 반도체와 접촉하는 제2전극을 포함한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 멤스 RF-스위치는 상부 표면의 일정영역이 P형 반도체로 도핑된 N형 기판, 상기 N형 기판의 하부표면과 결합하며, 외부 전 원의 일단자와 연결된 제1전극, 및 상기 P형 반도체와 일정거리 이격된 위치에 제작되며, 상기 전원의 타단자와 연결되어 상기 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 상기 P형 반도체와 접촉하는 제2전극을 포함할 수도 있다.
한편, 바람직하게는, 이상과 같은 실시예들에 있어서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나는 메탈, 아몰퍼스 실리콘(Amorphous silicon) 및 폴리 실리콘(poly silicon) 중 하나의 물질로 제작될 수 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 RF-스위치(MEMS Radio Frequency switch)의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 3에 따르면, 본 멤스 RF-스위치는 제1전극(110), 반도체층(120), 및 제2전극(130)을 포함한다. 이 경우, 멤스 RF-스위치와 결합하여 지지하는 기판(100)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
제1전극(110) 및 제2전극(130)은 각각 외부전원(140)의 일단자 및 타단자와 결합한다. 이에 따라, 외부전원(140)으로부터 바이어스 신호(Vbias)가 인가되면 제1전극(110) 및 제2전극(130)은 각각 -Q 및 +Q 전하량으로 대전된다.
이 경우, 제2전극(130)은 주위의 지지구조(미도시)보다 얇은 두께로 제조함으로써, 바이어스 신호 인가시에 열팽창되어 반도체층(120)에 접촉된다. 이 경우, 바이어스 신호는 반도체층(120)에 대해서는 리버스 바이어스(reverse bias)로 동작한다. 따라서, 반도체층(120)은 내부의 자유전자 및 정공의 배치에 의해 전위배리어(barrier)를 생성함으로써 절연성을 띄게 된다. 결과적으로, 제1전극(110), 반도체층(120), 및 제2전극(130)은 커패시터의 구조를 형성하게 되므로, 소정 주파수 대역의 RF 신호를 통과시킬 수 있게 된다.
이 경우, 반도체층(120)은 진성 반도체(intrinsic semiconductor), P형 반도체, N형 반도체 중 하나의 물질로 제작될 수 있다. 이 경우, P형 반도체 및 N형 반도체는 각각 3가 원소 및 5가 원소로 약하게(weakly) 도핑된 반도체를 사용할 수 있다. 한편, 반도체층(120)에서는 바이어스 신호 차단시에 전자 및 정공의 재결합이 이루어지므로, 전하축적현상이 일어나지 않게 된다.
도 4는 도 3의 멤스 RF-스위치의 동작원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 4의 (a)는 바이어스 신호(Vbias)가 인가되었을 때의 전하대전상태를 나타낸다. 도 4의 (a)에 따르면, 제1전극(110)은 (-)전하로 대전되고, 제2전극(130)은 (+)전하로 대전된다. 이에 따라, 제2전극(130)은 열팽창되어 반도체층(120)과 접촉하게 된다. 한편, 반도체층(120)의 상부는 제2전극(130)의 (+)전하에 의해 자유전자가 배치되고, 하부는 제1전극(110)의 (-)전하에 의해 정공이 배치된다. 이에 따라, 반도체층(120) 내부에서 전위배리어가 형성되어 제1전극(110)과의 사이에서 공핍층(depletion region)이 늘어나게 된다. 결과적으로 반도체층(120)은 절연성을 띄게 되므로, RF신호만을 통과시키게 된다. 결과적으로, 멤스 RF-스위치가 온(ON)된다.
도 5는 반도체층(120)이 절연성을 띄게 되는 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 5에 따르면, 반도체층(120)에서의 에너지 준위(Energy level)는 전도대 레벨(EC), 페르미 레벨(Fermi level : EF), 안정대 레벨(Ev)로 표시된다. 한편, 제1전극(110) 및 반도체층(120)은 쇼트키 다이오드(schottky diode)의 구조를 형성한다. 이에 따라, 반도체층(120)이 캐소드(cathode) 부분이 되고, 제1전극(110)이 애노드(anode) 부분이 된다. 이러한 구조에서, 바이어스 신호가 제2전극(130)에 인가되면, 쇼트키 다이오드에 리버스 바이어스 신호가 인가된 상태가 된다. 즉, 도 5와 같이, 제1전극(110) 및 반도체층(120)사이에서 전위배리어(barrier)가 발생한다. 전위배리어는 제1전극의 에너지레벨보다 eφBn만큼 크고, 반도체층의 전도대 레벨(EC) 보다 eVbi만큼 크게 나타난다. 이에 따라, 제1전극(110) 및 반도체층(120) 간의 자유전자 또는 정공의 이동이 차단되어, 반도체층(120)은 절연성을 띄게 된다. 바람직하게는, 제1전극(110)의 에너지 레벨은 페르미 레벨과 동일한 크기로 조정한다.
한편, 도 4의 (b)는 바이어스 신호(Vbias)가 0인 경우, 즉, 외부전원(140)과의 연결이 끊어진 경우의 전하대전상태를 나타낸다. 이 경우, 제1전극(110) 및 제2전극(130)에 대전된 전하량은 0이 되고, 반도체층(120) 내부에서는 양 표면으로 배치되었던 자유전자 및 정공의 재결합이 이루어진다. 이에 따라, 제2전극(130)은 정상적으로 반도체층(120)과 떨어지게 되어 스티킹 현상이 일어나지 않으므로, 멤스 RF-스위치가 정상적으로 오프(OFF)되게 된다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시에에 따른 멤스 RF-스위치의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 6에 따르면, 본 멤스 RF-스위치는 제1전극(210), P형 반도체층(220), N형 반도체층(230), 및 제2전극(240)을 포함한다. 제1전극(210) 및 제2전극(240)은 각각 외부전원(250)의 일단자 및 타단자와 연결된다.
P형 및 N형 반도체층(220, 230)은 상호 결합하여 PN-정션(junction) 다이오드의 구조로 제작된다. 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극(210, 240)이 각각 외부전원(250)의 (-)단자 및 (+)단자와 연결되면, PN-정션 다이오드에 리버스 바이어스가 인가된 상태가 된다. 따라서, PN-정션 다이오드간에 전위장벽이 생성되어 절연성을 띄게 된다. 결과적으로 멤스 RF-스위치가 온(ON)된 상태가 되어 RF신호를 통과시킬 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 멤스 RF-스위치의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 7에 따르면, 본 멤스 RF-스위치는 제1전극(310), P형 기판(320), N형 반도체 영역(330), 및 제2전극(340)을 포함한다. 도 7에 따르면, P형 기판(320) 상부 표면의 일정영역을 도핑하여 N형 반도체 영역(330)을 제작함으로써 PN-정션 다이오드의 구조를 가지게 된다. 결과적으로, 외부전원(350)에 의해 바이어스 신호가 인가되면, 도 6의 실시예에 따른 멤스 RF-스위치와 동일한 원리로 동작하게 된다.
한편, 도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 멤스 RF-스위치의 구성을 나타낸다. 도 8에서는 외부전원(450)의 바이어스 방향이 반대로 된다. 즉, 제1전극(410) 및 제2전극(440)은 각각 외부전원(450)의 (+) 및 (-)단자와 연결된다. 이 경우, 상부 표면의 일정영역이 P형 반도체 영역(430)으로 도핑된 N형 기판(420)을 제1전극(410)과 결합함으로써, PN-정션 다이오드의 구조를 가지게 된다. 결과적으로, 외부전원(450)에 의해 바이어스 신호가 인가되면, 도 6의 실시예에 따른 멤스 RF-스위치와 동일한 원리로 동작하게 된다.
한편, 이상과 같은 본 발명의 실시예에 있어서, 제1전극(110, 210, 310, 410) 및 제2전극(130, 240, 340, 440)은 메탈(metal), 아몰퍼스 실리콘(amolphous silicon), 및 폴리 실리콘(poly silicon) 등과 같은 도전성 물질을 이용하여 제작될 수 있다. 이 경우, 아몰퍼스 실리콘, 폴리 실리콘 등과 같이 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 제조 공정에서 사용되는 재료를 이용하여 전극을 제작하게 되면, 기존의 CMOS 제조설비 및 제조공정을 그대로 이용할 수 있어 호환성을 가지게 된다는 장점이 있다.
또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예에 있어서, 제2전극(130, 240, 340, 440)은 캡(cap) 형태 또는 캔틸레버(cantilever) 형태로 제조될 수 있다. 캡 형태란 제2전극(130, 240, 340, 440)이 제1전극 및 반도체층과 일정거리 이격된 상태로 덮고 있는 형태를 의미한다. 도 1에서 캡 형태의 구조가 도시되고 있으므로 더이상의 도시 및 설명은 생략한다.
도 9는 도 3의 실시예에 따른 멤스 RF-스위치를 캔틸레버 형태로 제조한 경우의 모식도이다. 도 9에 따르면, 제2전극(130)의 일부분이 기판(100)부분과 접합하여 지지부(500a)를 형성한다. 또한, 제2전극(130)의 일부분은 제1전극(110) 및 반도체층(120)과 일정거리 이격되도록 지지부(500a)로부터 돌출된 돌출부(500b)를 형성한다. 이에 따라, 외부 바이어스 신호가 인가되면 돌출부(500b)가 하부로 이동하여 반도체층(120)과 접촉할 수 있도록 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 MIM 구조의 멤스 RF-스위치에 있 어서 절연층 대신에 반도체층을 사용하여 교류신호전달동작을 수행하게 된다. 이에 따라, 바이어스 전하가 인가되면 반도체층에서 전위배리어를 형성함으로써 절연성을 띄게 되어 교류신호전달동작을 수행할 수 있게 된다. 한편, 바이어스 전하가 차단되면, 반도체층내에서 자유전자 및 정공이 재결합함으로써 전하 축적 현상 및 이로 인한 스티킹 현상등을 방지할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따라서 제1전극 및 제2전극을 폴리실리콘 또는 아몰퍼스 실리콘 등으로 제조하게 되면 기존의 CMOS 제조공정과 호환성을 이룰 수 있다는 부가적인 효과도 얻을 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
Claims (11)
- 전원과 연결되어 교류신호전달동작을 ON/OFF 제어하는 멤스 RF-스위치에 있어서,상기 전원의 일단자와 연결된 제1전극;상기 제1전극의 상부표면에 결합하며, 상기 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 전위배리어(barrier)를 형성하여 절연성을 띄게 되는 반도체층; 및상기 반도체층과 일정거리 이격된 위치에 제작되며, 상기 전원의 타단자와 연결되어 상기 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 상기 반도체층과 접촉하는 제2전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 제1항에 있어서,상기 반도체층은,P형 반도체층 및 N형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1전극의 하부표면에 결합하여, 상기 제1전극, 상기 반도체층, 및 상기 제2전극을 지지하는 기판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 제3항에 있어서,상기 제2전극은 상기 기판 상에서 상기 반도체층과 일정거리 이격된 상태로 상기 제1전극 및 상기 반도체층을 덮는 캡(cap) 구조로 제작되는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 제3항에 있어서,상기 제2전극은 상기 기판상의 일정영역에 결합한 지지부 및 상기 지지부에 의해 지지되어 상기 반도체층과 일정거리 이격되는 돌출부를 포함하는 캔틸레버 (cantilever)구조로 제작되는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 제1항에 있어서,상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나는 메탈, 아몰퍼스 실리콘(Amorphous silicon) 및 폴리 실리콘(poly silicon) 중 하나의 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 제1항에 있어서,상기 반도체층은,진성 반도체, P형 반도체, 및 N형 반도체 중 하나의 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 상부 표면의 일정영역이 N형 반도체로 도핑된 P형 기판;상기 P형 기판의 하부표면과 결합하며, 외부 전원의 일단자와 연결된 제1전극; 및상기 N형 반도체와 일정거리 이격된 위치에 제작되며, 상기 전원의 타단자와 연결되어 상기 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 상기 N형 반도체와 접촉하는 제2전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 제8항에 있어서,상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나는 메탈, 아몰퍼스 실리콘(Amorphous silicon) 및 폴리 실리콘(poly silicon) 중 하나의 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 상부 표면의 일정영역이 P형 반도체로 도핑된 N형 기판;상기 N형 기판의 하부표면과 결합하며, 외부 전원의 일단자와 연결된 제1전극; 및상기 P형 반도체와 일정거리 이격된 위치에 제작되며, 상기 전원의 타단자와 연결되어 상기 전원으로부터 바이어스 신호가 인가되면 상기 P형 반도체와 접촉하는 제2전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
- 제10항에 있어서,상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나는 메탈, 아몰퍼스 실리콘(Amorphous silicon) 및 폴리 실리콘(poly silicon) 중 하나의 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 멤스 RF-스위치.
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