본문 바로가기
KERD
논문KCI 등재

유무인무기체계에서 사용되는 질화갈륨(GaN) RF 반도체의 수명평가시스템 개발 및 수명예측 방안

Development of a lifetime evaluation system and lifetime prediction method for GaN RF semiconductors used in manned and unmanned weapon systems

강윤호|김형국|최영락
방위사업연구소 (Institute of Defense Acquisition Program)|2023.08|선진국방연구 (Journal of Advances in Military Studies)|제6권 제2호|pp. 63-90|DOI https://doi.org/10.37944/jams.v6i2.208

0

조회

0

다운로드

0

인용

0

참고문헌

키워드

가속수명시험열화 메커니즘accelerated life test수명예측질화갈륨(GaN) RF 반도체 신뢰성GaN semiconductor reliabilitylifetime estimationdegradation mechanism

초록

본 연구의 목적은 질화갈륨(GaN) RF 반도체의 수명예측을 위해서 RF 스트레스를 인가할 수 있는 평가 시스템을 개발하고, 열화 메커니즘의 복합적 영향을 고려하여 수명예측이 가능한 시험방안을 제안하는 데 있다. 통신용 반도체의 수명평가 시에는 실제 사용조건을 모사하기 위해서 RF-입력의 인가가 요구된다. 개발된 수명평가시스템은 광대역 고출력 RF 스트레스를 시료별로 인가하고 시료의 RF 특성변화를 실시간 측정할 수 있도록 구성되었다. 더불어 온도 및 전압 스트레스를 각각의 시료에 대해 독립적으로 제어할 수 있도록 설계 및 제작하였다. 제작된 장비는 시험의 용이성을 개선하여 효율적인 수명평가뿐만 아니라 반도체의 실시간 열화 경향 데이터 확보를 가능하게 하였다. 개발된 수명평가시스템을 활용하여 가속수명시험을 실시하여서 사용조건(Field condition)에서의 반도체 수명을 추정할 수 있다. 그러나 기존의 갈륨비소(GaAs) RF 반도체와 달리 질화갈륨(GaN) RF 반도체는 RF 동작에서 한가지 열화 메커니즘의 영향이 두드러지게 나타나지 않고 열화 메커니즘들의 복합적 영향이 나타나게 된다. 따라서 가속조건별 고장분포에서 추정된 고장시간을 가속모형에 따라 외삽하는 기존 방식으로는 사용조건의 수명을 예측하기 어려우므로, 새로운 수명추정 방법을 제안하였다. 열화 메커니즘별 IV 특성 매개변수를 확인하고, 열화 메커니즘별 해석이 가능한 DC-가속수명시험과 복합적 열화 메커니즘을 나타내는 RF-가속수명시험과의 관계를 도출한다. 그 후 사용조건에서 각 열화 메커니즘별 영향에 관한 가중치를 구해서 수명을 예측하는 방법이다. 본 연구는 추후 반도체 신뢰성 평가의 체계적인 계획 수립 및 평가 장비 개발 방향에 필요한 기초자료를 제시했다는 점에서 의의가 있다. 또한, 본 연구의 제안된 방법으로 수명평가가 진행되어 열화 메커니즘에 따른 데이터가 도출된다면 향후 질화갈륨(GaN) RF 반도체의 신뢰성 개선에 긍정적인 영향을 미칠 수 있을 것이다.

Abstract

The aim of this study is to develop a testing system that applies RF (Radio Frequency) stress to predict the lifespan of GaN RF semiconductors, a subject of numerous ongoing domestication studies. Additionally, the study proposes an approach that considers the complex effects of degradation mechanisms in predicting lifespan. When testing the longevity of communication semiconductors, it’s essential to apply RF-input to replicate real-world conditions. The system we developed applies wideband, high power RF stress to individual samples. It monitors RF characteristic changes in real-time and provides independent control of temperature and voltage stress for each sample. This ensures both effective lifespan tests and real-time tracking of semiconductor degradation patterns. Unlike traditional GaAs semiconductors, GaN ones exhibit the compounded influence of degradation mechanisms during RF operation. Therefore, a new lifespan estimation method that identifies the IV characteristic parameters for each degradation mechanism and deduces a relationship between the DC-accelerated life test and the RF-accelerated life test was proposed. The proposed method is significant in that it provides foundational data necessary for the systematic planning of semiconductor reliability testing and the direction of test equipment development. If lifespan tests proceed using this proposed method and data related to degradation mechanisms is derived, it is anticipated to positively impact the future reliability improvement of GaN RF semiconductors.

참고문헌 (29)

  1. 안현배, "28 GHz 대역 5G FR2 통신 기지국용 GaN 저잡음 증폭기 MMIC 설계", 전자공학회논문지, 59(5), pp.77~82 (2022), 대한전자공학회
  2. "Standard AEC - Q100 – REV-G: FAILURE MECHANISM BASED STRESS TEST QUALIFICATION FOR INTEGRATED CIRCUITS" (2007)[URL]
  3. Burnham, S. D., "Towards an RF GaN reliability standard", Proceedings of the JEDEC Reliability of Compound Semiconductors Workshop, 22 (2017)
  4. Chowdhury, U., "TEM observation of crack-and pit-shaped defects in electrically degraded GaN HEMTs", IEEE Electron Device Letters, 29(10), pp.1098~1100 (2008)[DOI]
  5. J.A. del Alamo, "GaN HEMT reliability", Microelectronics Reliability, 49(9-11), pp.1200~1206 (2009), Elsevier BV[DOI]
  6. "MIL-STD-750D: Test Methods for Semiconductor Devices" (1995)[URL]
  7. Han, S. H., "Design and Fabrication of Ku-band GaN Low Noise Amplifier MMIC", Fall conference 2022 of Society of Electrophysics and Application (2022)
  8. 장용, "미래 무인자율무기체계의 군사적 운용에 관한 연구", 한국군사, 11, pp.135~155 (2022), (재)한국군사문제연구원[DOI]
  9. "JESD22-A108D: Temperature, Bias and Operating Life" (2010)[URL]
  10. "JEP118-A: Guidelines for GaAs MMIC PHEMT/MESFET and HBT Reliability Accelerated Life Testing" (2013)[URL]
  11. "Standard JESD226: RF Biased Life Test Method" (2013)[URL]
  12. Joh, J., "RF power degradation of GaN high electron mobility transistors", 2010 International Electron Devices Meeting, pp.20~25 (2010)
  13. 김준수, "탐색레이더 반도체송수신 조립체 신뢰성 개선방안 연구", 한국산학기술학회논문지, 23(7), pp.457~465 (2022), 한국산학기술학회[DOI]
  14. Lee, S. H., "Development of 10W GaN Power Amplifier MMIC in Ka Band", Summer conference 2022 of The Institute of Electronics and Information Engineers (2022)
  15. 이연호, "국내 개발 유도탄의 효과적 수명관리를 위한 신뢰성 평가 방안 연구", 한국방위산업학회지, 28(1), pp.81~91 (2021), 한국방위산업학회[DOI]
  16. 임병옥, "레이더 응용을 위한 X-대역 40W AlGaN", GaN 전력 증폭기 MMIC, 2022, pp.26(4), 722~727[DOI]
  17. How to plan an accelerated life test: Some practical guidelines, "Meeker, W. Q.", ASQC Statistics Division, ~ (1985)
  18. Meneghesso, G., "Reliability issues of gallium nitride high electron mobility transistors", International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 2(1), pp.39~50 (2010)[DOI]
  19. Meneghesso, G., "Reliability of GaN high-electron-mobility transistors : State of the art and perspectives", IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 8(2), pp.332~343 (2008)[DOI]
  20. Nakkala, P., "Pulsed IV and RF characterization and modeling of AIGaN HEMTs and Graphene FETs", Doctoral, pp.2015
  21. Noh, Y. S., "A Study on the X band GaN Single-chip Transceiver MMIC Design", Fall conference 2022 of Korean Institute of Communications and Information Sciences (2022)
  22. Paine, B. M., "Scaling DC lifetests on GaN HEMT to RF conditions", Microelectronics Reliability, 55(12), pp.2499~2504 (2015)[DOI]
  23. Paine, B. M., "Degradation rate for surface pitting in GaN HEMT", 2015 IEEE International Reliability Physics Symposium (2015)
  24. Paine, B. M., "GaN HEMT lifetesting–characterizing diverse mechanisms", Proceedings of the International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology, pp.321~324 (2015)
  25. Paine, B. M., "Lifetesting GaN HEMTs with multiple degradation mechanisms", IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 15(4), pp.486~494 (2015)[DOI]
  26. Stocco, A., "Reliability and failure mechanisms of GaN HEMT devices suitable for high-frequency and high-power applications", Doctoral, pp.2012
  27. 성하욱, "유도성 소스 축퇴를 이용한 X-대역 GaN MMIC 저잡음 증폭기", 한국전자파학회 논문지, 33(5), pp.356~364 (2022), 한국전자파학회[DOI]
  28. 성하욱, "C-Band GaN Dual-Feedback Low-Noise Amplifier MMIC with High-Input Power Robustness", Journal of Electromagnetic Engineering and Science, 22(6), pp.678~685 (2022), 한국전자파학회[DOI]
  29. "GaN Reliability–Where we are and where we need to go" (2014)[URL]

관련 논문AI추천

상시불통형 p-AlGaN-게이트 질화갈륨 이종접합 트랜지스터의 게이트 전압 열화 시험금동민, 김형탁한국전기전자학회 · 전기전자학회논문지2018 · 제22권 제1호GaN증폭기의 본드 와이어 용융단선 현상분석과과도전류를 고려한 전류용량 선정에 대한 연구김기준, 석연수, 유우성, 황규혁한국전기전자학회 · 전기전자학회논문지2022 · 제26권 제4호질화갈륨 기반 전자소자의 고에너지 양성자 조사 영향평가를 위한 전산모사 모델링 연구김동석, 김유종, 석오균, 윤영준, 이재상, 이정희(사)한국방사선산업학회 · 방사선산업학회지2021 · 제15권 제4호전원장치의 HALT 신뢰성시험을 통한 설계 한계마진 검증장유신한국컴퓨터정보학회 · 한국컴퓨터정보학회논문지2018 · 제23권 제11호가속수명시험을 이용한 블루투스 모듈의 수명 예측김재중, 손영갑, 장석원한국마이크로전자및패키징학회 · 마이크로전자 및 패키징학회지2008 · 제15권 제2호열화되는 성능 파라메터를 가지는 시스템의 신뢰성 예측에 관한 연구김연수, 정영배한국산업경영시스템학회 · 한국산업경영시스템학회지2015 · 제38권 제4호

이 간행물의 다른 논문 (9건)

항적추적어뢰에 대항하는 하드킬 방식의 수상함 수중방어체계 효과도 분석이진호, 홍우영, 신명인pp. 1-15전투기 성능개량 지수의 요인별 중요도 인식 차이에 관한 연구최경환, 민순홍, 조용재, 임세환pp. 17-41한국군 병력 규모에 관한 실증연구: 예비전력 규모를 중심으로심형보pp. 43-62차륜형 장갑차 특허 출원 및 기술 동향분석에 관한 연구원경찬, 권지나, 김각규, 조용주pp. 91-114한미 연합 군사연습을 통해 본 북한의 협상행태 연구윤안국pp. 115-140
원문 보기