제너다이오드
종래의 각종 정전기 보호용 소자들 중에서 동작속도, 동작전압, 신뢰성, 생산단가를 고려하여 제너다이오드를 널리 이용하고 있다. 최근에 USB, HDMI와 같은 고속통신이 요구되는 전자 및 전기 기기에서 입출력단의 정전기나 서지(불규칙 서지나 낙뢰)로부터 보호하기 위한 필요가 증가하였다. 그리고 고출력인 옥내외 조명, 전광판, 자동차, 기간 시설(가로등, 신호등)용으로 발광다이오드의 활용이 확대됨에 따라 정전기에 대한 보호성능도 더욱 높게 요구되고 있다. 본 고에서는 전기전자 제품의 정전기보호에 대한 국제표준과 관련 기술을 소개한다. 이어서 질화물반도체를 이용해 제작되는 청색, 녹색, 백색, UV 파장을 발생하는 발광다이오드의 정전기 보호를 목적으로 고안한 제너다이오드의 전기적 특성과 신뢰성에 대해 보고하였다.
글 : 심규환 교수 / 반도체과학기술학과
전북대학교 / www.chonbuk.ac.kr
시지트로닉스 / www.sigetronics.com
결정결함을 많이 내포하는 질화물반도체 발광소자는 전기적 충격에 매우 취약하여 정전기나 낙뢰로부터의 보호와 관련된 기술 및 표준화는 매우 중요한 기술적 이슈로서 대두되어 있다. 최근 디스플레이 BLU의 경우 아주 높은 신뢰성과 수명을 요구하고 있고, 고출력 LED를 사용하는 조명용의 경우는 열과 전기적 충격에 대해 안정성을 확보하지 못하여 어려움을 겪고 있다. 기존의 제너(Zener)다이오드의 문제점을 해결하기 위해서는 p-n 계면농도를 아주 높게 제어하는 신소자 구조와 공정기술이 필요하다. LED용 정전기 보호용 소자는 다이내믹 저항이 종래보다 절반 이하로 작고, 정전기 보호전압이 8kV(HBM)보다 높아야 할 필요가 있다. 따라서 옥내외 조명, 자동차, 신호등, 가로등과 같이 내환경이 요구되는 고출력-고휘도 발광다이오드를 정전기로부터 보호하여 반영구적 수명을 보장하기 위해서 본고에서는 TVS급 정전기 보호용 제너다이오드에 대해 집중했다.
개 요
전기전자 제품을 정전기로부터 보호하기 위한 용도로 제너다이오드, 쇼트키장벽다이오드, 바리스터 등의 다양한 소자가 사용된다. 최근에 LED TV의 BLU(Back Light Unit)는 물론이고, 옥내외 조명, 자동차, 신호등, 가로등에 고휘도-고출력 발광다이오드(LED)의 적용이 확대되고 있다. 이러한 질화물반도체(III-Nitride) LED는 고온에서 전기적으로 신뢰성이 우수한 정전기 보호용 소자를 이용하여 수명을 반영구적으로 보장할 필요가 있다. 따라서 정전기인 ESD(Electrostatic Discharge), 스위치에서 발생하는 스파크인 EFT(Electrical Fast Transient), 공기 중의 낙뢰인 라이팅 서지(Lightning Surge)에 대해 LED의 전기적 신뢰성을 평가하고 확보하는 일은 매우 중요하다.
종래의 각종 정전기 보호용 소자들 중에서 동작속도, 동작전압, 신뢰성, 생산단가를 고려하여 제너다이오드를 널리 이용하고 있다. 최근에 USB, HDMI와 같은 고속통신이 요구되는 전자 및 전기 기기에서 입출력단의 정전기나 서지(불규칙 서지나 낙뢰)로부터 보호하기 위한 필요가 증가하였다. 그리고 고출력인 옥내외 조명, 전광판, 자동차, 기간 시설(가로등, 신호등)용으로 발광다이오드의 활용이 확대됨에 따라 정전기에 대한 보호성능도 더욱 높게 요구되고 있다. 특히 실외의 고온이나 고전압이 유도되는 열악한 환경에서 보다 더 좋은 수명과 신뢰성을 확보하려는 요구가 매우 크다. 특별히 발광다이오드에 사용되는 경우에는 광의 재흡수에 따른 발광효율의 저하, 패키징의 수율, 온도상승과 같은 문제를 고려해야 한다. 한편으로 종래의 제너다이오드들은 전압 제어(voltage regulation)를 위한 회로에 아직도 널리 사용되어 동작전압과 전류에 따른 사양과 구조는 매우 다양하다.
본 고에서는 전기전자 제품의 정전기보호에 대한 국제표준과 관련 기술을 소개하였다. 이어서 질화물반도체를 이용하여 제작되는 청색, 녹색, 백색, UV 파장을 발생하는 발광다이오드의 정전기 보호를 목적으로 고안한 제너다이오드의 전기적 특성과 신뢰성에 대해 보고하였다.
ESD의 종류와 표준
반도체 칩을 위시하여 모든 전기전자부품, 모듈, 세트는 다양한 형태의 정전기로부터 보호되어야 하며, 이에 대해서 국제적으로 규격화 되어 있다. 우선 ESD모델에는 HBM(Human Body Model), MM(Machine Model), CDM(Charged Device Model)의 세 종류가 있다. 이와 유사하게 MIL-STD-883 표준은 군수용이며, 유럽에서 지정하여 세계적으로 널리 이용되는 IEC61000-4-x 표준은 최종 제품에 주로 준용한다(1, 2).
그림 1은 ESD의 HBM, MM, CDM에 대한 테스트 조건을 보여준다. 전압(VC)을 인가하여 커패시터를 충전하여 정전용량(Q)을 축적한 다음, 스위치를 통해 축적된 전하가 소자(DUT)를 통해서 방전되게 한다. 이때 저항(R)이나 인덕턴스(L)의 값에 따라 방전되는 전하의 파형(waveform)이 결정된다.
HBM은 사람의 몸에 축적된 전하가 방전되는 현상에 대한 모델로서 C=100pF, R=1.5kΩ이다. MM은 기계나 부품에 축적된 전하가 방전되는 모델에 해당되어 C=200pF, R=0Ω로서 피크전류가 높게 방전된다. CDM은 특별히 MOSFET의 게이트 절연막과 같이 전하가 소자의 내부에 축적되었다가 방전되는 모델로서 외부에서 인가되는 정전기와는 차이가 있다.
그림 2와 같이 전형적으로 CDM과 MM의 경우 수 ps의 매우 짧은 시간에 방전이 일어나며, HBM은 수 십ps 이상으로 다소 늘어진 파형을 보인다. IEC 표준의 방전파형은 MM(또는 CDM)과 HBM이 합병된 형태를 보인다.
커패시터에 축적된 전하가 소자(DUT)를 통하여 피코초로 빠르게 방전될 때, 소자는 failure가 발생하는 임계 ESD 전압의 한계를 보이게 된다. 이렇게 ESD 충격에 의해 파괴가 발생하는 임계전압은 누설전류, 항복전압, 이득의 변화와 같은 소자특성을 기준으로 해서 결정하게 된다. 예로써 LED용 제너다이오드의 경우 누설전류가 1μA 이상이 측정되면 failure로 본다.
표 1은 HBM, MM, CDM, MIL-STD-883, IEC61000-4-2 표준의 등급에 따라 가압하는 전압의 범위를 보여준다. 현재 많은 전자부품이나 최종제품에는 표 1에 제시된 등급 이상으로 높은 20kV, 25kV, 30kV 정도를 사양으로 요구하는 경우가 많다.
표 2와 같이 유럽의 표준인 IEC61000-4-x 시리즈에서 보면 ESD, EFT, 라이팅 서지 등에 대해 정의하고 있다. 앞에서 설명된 바와 같이 IEC6100-4-2는 ESD에 대한 표준이며, 금속 기구를 들고 있는 사람에게서 발생하는 ESD 모델의 형태로서 R=330ohm, C=150pF이며, HBM과 MM을 합성한 파형을 보인다. IEC61000-4-4는 EFT(Electrical Fast Transient)로서 스위치와 같이 접합상태를 전환할 때 접촉부위에서 발생하는 버스트 전류에 대한 표준이며, IEC6100-4-5는 낙뢰에 대한 표준으로 옥외에 노출되는 전자제품의 경우에 대부분 고려해야 한다.
저전력용에 대해서는 제너다이오드를 이용한 서지 보호는 문제가 없으나, 전류와 전압이 높은 정전기를 감당하는 방전용 소자로는 특별히 TVS(Transient Voltage Suppressor) 제너다이오드를 이용한다. TVS 소자의 동작특성과 성능의 평가방식은 제너다이오드와 다소 다르게 취급되는데, 상세한 내용에 대해서는 추후 별도의 지면에서 논하기로 한다.
여하튼, 낙뢰와 같은 고전압에 노출된 실외환경, 수 십~100V 이상의 강전을 이용하는 전기제품, 기계적인 접촉으로 전기 스파크가 발생하는 용도에는 TVS의 강력한 ESD와 전압의 억제 성능을 사용해야 더욱 안전하다. 그러나 제너다이오드에 비하여 TVS 소자는 제조하는 공정이 복잡하여 단가가 높아지는 경제적인 문제가 있다.
ESD 보호용 소자의 종류와 특징
그림 3은 양방향 제너다이오드가 ESD에 노출된 회로를 보호하는 기본적인 원리를 보여준다. 보호하고자 하는 회로나 반도체 소자의 앞단에 양방향 제너다이오드를 설치하여, 순방향과 역방향으로 입력되는 트랜션트 펄스(서지)의 높은 피크전압에 의한 전류를 빠르게 제너다이오드를 통하여 바이패스 시켜 흐르게 함으로써 내부에 위치하는 회로/소자에는 클램프 전압만 도달하여 낮은 전압만 인가되도록 한다. 대체로 Vp=±8kV로 높은 전압의 ESD(HBM, IEC) 파가 입출력단을 통해 순간적으로 가해져도 내부의 회로/소자에는 VC=~20V인 낮은 전압만이 도달되므로 내부가 보호된다.
표 3에 ESD 보호에 사용하는 각종 소자의 종류별 특징과 용도를 요약하였다. 제너다이오드는 본래 전압을 제어(regul-ation)하는데 주로 이용되어 역방향 전압과 전류가 일정한 값을 유지하는 성능이 중요하다. 다른 소자들에 비해 ESD 보호 기능이나 고전력에서 신뢰성이 다소 떨어지지만, 크기와 가격의 장점으로 인하여 저전력의 LED용으로 주로 사용된다.
한편, 고전압의 ESD용으로 다층 바리스터가 가장 유리하지만 다층 세라믹의 어렵고 고가인 제조공정이 필요로 된다. 주파수가 GHz 대의 고주파 회로나 고속 통신선로에 쇼트키 다이오드가 작은 정전용량과 고속응답의 장점으로 인하여 주로 이용된다. AB(Avalanche Breakdown)모드로 동작하는 성분이 많은 소자구조의 트랜션트 서프레션 다이오드(TVS, ABD)는 서지가 주입되었을 때 전압을 일정한 한계치 이하로 유지하는 성능이 뛰어나 전압 고정(클램핑)성능이 우수하다.
이상과 같이 다양한 ESD와 서지에 대한 보호용 소자는 각자 장점을 살려서 회로의 용도에 따라 선택적으로 사용된다. 예로써 제너다이오드는 ESD의 보호에 대해 동작속도, 가격, 크기의 측면의 유리한 점 때문에 자주 이용된다. 그러나 앞에서 설명된 바와 같이 실외나 고전력기기에 설치되어 낙뢰와 같은 고전압, 고전력과 같이 심각한 내환경이 요구되는 응용에는 30kV 이상까지도 보호작용을 할 수 있는 다층구조의 바리스터나 TVS 소자를 선택해야 한다.
제너다이오드의 구조와 특성
제너다이오드는 p+-n 접합 또는 n+-p 접합의 계면에서 터널링에 의해 운반자가 이동하여 급하게 전류가 증가하는 현상을 제너 항복(브레이크다운)이라고 하며, 이 현상을 이용하여 원하는 전류 조건에서 전압을 일정하게 제어하는 용도에 주로 사용한다.
그림 4는 전형적인 제너다이오드의 전류-전압 특성곡선이다. 중요한 특성은 역방향의 항복이 일어나는 제너전압(VZ)과 저항(RZ)이 일정해야 전압 제어를 일정하게 할 수 있다는 점이다. 한편으로는 역방향 누설전류(IR)와 저항(RZ)이 작으면 ESD 보호용으로 사용하는 경우에 순간적인 전류구동 능력이 높아져 전압을 고정하는 능력과 신뢰성이 높다는 점이다.
저항이 R인 부하와 함께 제너다이오드를 직렬로 연결하고 VS 전압을 인가하면 그림 4와 같이 로드 라인이 설정되어 Q 포인트로 전류와 전압이 설정되게 된다. 이러한 회로적 원리를 이용하여 전압 레귤레이션이 되는 전원회로를 구성할 때 제너다이오드를 사용한다. 따라서 무엇보다 제너 전압과 제너 저항을 정확하게 조절하여 제너다이오드를 제작해야 하는 점에 주의를 기울여야 한다.
기본적으로 ESD 보호용의 제너다이오드는 1) 역방향의 항복전압 부근에서 저항(RZ)이 낮아야 하고 2) 순방향 및 역방향에서 전류구동 능력(동작 가능한 높은 전류밀도)이 높아야 하고 3) 역방향 누설전류(IR)가 낮아야 하고 4) 역방향 항복전압이 일정해야 하고 5) 정전기에 대한 저항능력이 높아야 한다.
이러한 특성은 정전기가 인가되었을 때, 순간적으로 전류를 접지로 빠지게 하면서 보호하려는 소자에는 낮은값의 전압이 인가되도록 제어해야 한다. 그리고 높은 전류밀도를 감당하고, 누설전류가 작게 하는 것은 회로의 신뢰성과 효율을 높이는데 필요하다.
그림 5는 p-top, n-top, p-top의 이중전극 패드에 의한 양방향 PNP의 단면구조를 각각 보이고 있다. 다양한 형태로 제작되는 이유는 사용되는 패키징에서 다른 보호하려는 소자나 리드프레임을 연결하는 배선과 접합의 용이성을 고려하기 위함이다.
LED의 ESD 보호용 제너다이오드
그림 6은 LED 보호용 단위회로의 구성에 대한 것으로 (a)단일 전극 패드, (b)이중 전극 패드, (c)삼중 전극 패드, (d)양방향 제너다이오드를 이용한 형태를 보여준다. 이중 전극 패드와 삼중 전극 패드는 하나의 제너다이오드의 상부에 각각 전극을 2개, 3개 형성한 구조로서 동시에 LED 소자를 2개, 3개 병렬로 부착하여 사용할 수 있어 부피와 생산단가를 줄일 수 있다.
그림 6(d)의 양방향 제너다이오드는 LED의 역방향 누설전류를 측정할 수 있어서 품질관리에 매우 중요한 장점을 제공한다. 비교하자면, 6(a)와 같은 경우에 LED의 역방향 누설전류를 모니터링 하고자할 때, 제너다이오드의 turn-on 전압인 0.7V보다 낮은 전압(<-0.4V)을 인가하여 측정하여야 한다. 그러나 이렇게 전압이 작으면 누설전류 특성을 평가하는데는 충분하지 않다. 반면에 그림 6(d)의 경우 -4V로 충분히 역바이어스를 인가한 상태에서 LED를 통해 흐르는 누설전류를 모니터링하여 품질관리에 이용할 수 있어 매우 유용하다.
상술된 바와 같이 LED의 ESD 보호용 구조 중에서 양방향 제너다이오드는 발광다이오드의 제조측면에서 가장 유용하다. 양방향 제너다이오드는 순방향 ESD와 역방향 ESD에 대해 모두 보호작용을 하는 점이 첫 번째 장점이다. 두 번째 장점은 LED의 누설전류를 충분히 큰 역방향 전압을 인가한 상태에서 측정할 수 있다는 점이다. 즉, 패키징된 LED 제품의 품질평가와 분류를 정확히 할 수 있다는 장점은 양산과정에 중요하며, 양방향 제너다이오드를 사용해야만 가능하다.
III-Nitride LED의 ESD 특성
그림 7은 III-Nitride 에피의 결정결함(V, TD)과 정전기에 의해 Failure가 발생한 LED의 표면상태를 보여준다(1). 여기에서 III-Nitride 반도체는 InN, GaN, AlN을 위주로 하는 질화물반도체로서 청색, 녹색, 백색의 빛을 내는 발광다이오드를 제작하는데 사용된다. 그런데 그림 4(a)와 같이 주로 사파이어라는 이종의 물질 위에 성장되어 (b)의 V형 결함, threading dislocation (TD), micro-pipe와 같은 결정결함을 많이 내포하게 된다. 에피층에 존재하는 수많은 결정결함은 고압의 정전기가 인가될 때, 금속물질의 마이그레이션이나 전류의 통로로 작용하여 항복현상을 발생시키는 원인을 제공하게 된다.
III-Nitrides LED의 경우 ESD 절연파괴가 발생하는 전압이 많은 경우 순방향 1~7kV, 역방향 0.1~4kV로 보고되어 있어서 매우 취약한 상태임을 알 수 있다. 그림 4(c)는 예로써 3.5kV ESD가 인가되어 항복이 일어난 GaN LED 소자의 표면인데 양전극과 음전극 사이에 높은 전계가 유도되는 부위에 하얗게 파괴된 흔적을 보이고 있다. 따라서 고출력-고휘도 응용에 있어서는 제너다이오드와 같은 정전기 보호용 소자를 이용해야 반영구적 LED 수명을 보장할 수 있다.
위에서 설명된 여러 기술적 문제로 인하여 III-Nitride 반도체를 이용하는 고출력-고휘도 LED에 이용하는 ESD 보호용 제너다이오드에는 추가적으로 고려해야 하는 특징이 있다. 우선적으로 제너다이오드와 함께 패키징하면서 발생하는 1) LED 효율의 감쇄를 최소화해야 하고 2) LED에서 발생하는 빛과 열에 대한 저항력이 필요하며 3) 광을 흡수하여 발생하는 누설전류도 가급적 방지해야 하고 4) 광의 재흡수를 줄이기 위해 칩의 두께를 100um 이하로 얇게 해서 패키징할 때 Ag 페이스트의 roll-up에 따른 누설전류 발생이나 합선으로 인한 불량발생이 없어야 한다. 이러한 이슈는 패키징에서 LED의 효율과 수율을 높이는데 실질적으로 중요한 문제점들이다.
LED용 제너다이오드
LED의 ESD 보호용으로 개발된 제너다이오드의 주요 사양은 표 4에 요약된 바와 같다. 표 4에서 제너전압 7V는 단일 LED 용으로 많이 사용되고 있고, 제너전압 12V는 3개의 LED를 직렬로 연결하여 사용할 때 유용하다. 단일방향 접합 구조에 비해 양방향 접합 구조를 이용하면 순방향과 역방향 ESD에 강하고, 누설전류를 정확히 측정할 수 있어서 조립이 완료된 후에 LED의 불량테스트나 등급의 분류를 명확하게 할 수 있다.
그러나 양방향 제너다이오드는 단일방향 제너다이오드에 비해 제조공정이 복잡하여 단가가 높은 점이 문제이다. 표 4에서 패키징은 여러 형태가 가능한데 소형화와 적은 납 사용, 서페이스 마운팅 형태로 진보하고 있다. 그리고 최근에 이동통신용 단말기의 크기와 무게를 현저히 감소시키는 추세에 따라 칩의 두께를 100μm 이하로 감소시키는 경향이다. 더욱이 LED에 사용하는 제너다이오드는 광의 재흡수에 따른 광손실을 방지하여 효율을 높이기 위해 제너다이오드의 크기는 가능한 줄이려 한다.
그림 8은 제너전압 7V, 단일방향 p-top, 단일패드, 두께 100μm인 칩이 웨이퍼에서 절단된 배열을 보이고 있다. 저온의 에피 성장 기술을 적용하여 매우 날카로운 농도 기울기( >5×1025cm-4)의 n+-p, p+-n 접합을 형성하고, 열처리 공정에서 불순물의 확산을 최적으로 조절함으로써, 제너저항과 누설전류와 같은 소자특성이 탁월한 성능으로 제작되었다.
그림 9는 p-top 단일방향 구조로 제작하여 제너전압이 7V와 12V인 제너다이오드의 전류-전압 특성을 보여준다. 순방향으로 턴온 전압은 0.75V로 매우 정상적이고, 역방향의 경우 제너전압 7V와 12V에서 매우 가파르게 역방향 전류가 흐른다(5).
역방향 전류구동의 능력을 좌우하는 차동 저항의 경우 7V용은 주로 사용되는 5~10mA 전류영역에서 5.5~4.5Ω의 저항을 보인다. 마찬가지로 12V용은 5~10mA 전류영역에서 8.2~7.2Ω의 저항을 보인다.
그림 9와 같이 n-top의 제너다이오드에서 4.5~8.2Ω의 낮은 저항은 기존의 제너다이오드가 20~35Ω의 높은 저항을 보이고 있다는 점과 비교하면 파격적으로 낮은 값이다. 기존의 제너다이오드에 비교하여 평균적으로 저항을 70% 이상 감소시킨 결과를 보였다.
그림 10은 n-top 단일방향 구조로 7V와 12V용으로 제작된 제너다이오드의 전류-전압 특성이다. 순방향으로 턴온 전압은 0.75V이고, 역방향의 제너전압인 7V와 12V에서 매우 가파르게 역방향 전류가 흐른다. 역방향 전류구동의 능력을 좌우하는 차동 저항의 경우 7V용은 5~10mA 전류영역에서 7~6.5Ω의 저항을 보인다. 마찬가지로 12V용은 5~10mA 전류영역에서 15~13Ω의 저항을 보인다.
그림 10과 같이 n-top의 제너다이오드에서 7~15Ω의 낮은 저항은 기존의 제너다이오드가 15~60Ω의 높은 저항을 보이고 있다는 점과 비교하면 파격적으로 낮은 값이다. 기존의 제너다이오드에 비교하여 평균적으로 저항을 50% 이상 감소시킨 결과를 보였다.
그림 9와 그림 10에서 보인 역방향 제너전압의 부근에서 저항이 기존의 제너다이오드에 비해 p-top과 n-top에서 각각 70% 내지 50%를 감소시킨 점은 매우 중요하다. 정전기가 인가된 순간 전류를 바이패스 시키는 전류의 구동능력이 저항값에 의해 우선적으로 좌우되기 때문이다. 전류에 의한 주울열의 발생은 I2R에 비례하므로 저항이 작아야 절연파괴가 쉽게 일어나지 못하여 ESD 보호성능이 향상된다.
이렇게 작은 저항에 의하여 새로이 개발된 제너다이오드는 웨이퍼 상태에서 ~200mA 이상으로 전류를 반복해서 흘려도 동일한 원래의 특성을 유지하였으며, 전류밀도가 2.3kA/cm2까지 구동함을 보였다.
제너저항이 30~50Ω 정도로 높게 제작되는 기존의 제너다이오드 칩은 역방향 전류를60~150mA로 구동하는 사이에 thermal degradation이 발생한다. 그리고 점차적으로 소프트 브레이크다운을 거쳐서 하드 브레이크다운으로 변화하여 전류밀도가 0.4~1A/cm2까지 유효한 전류구동 능력의 한계가 낮음을 보였다. 이와 같이 ESD 보호용 소자로 사용하는 경우 고속으로 높은 전류밀도로 정전기를 바이패스 시켜줘야 하므로 전류구동 능력은 중요하다.
그림 11은 더블 패드 형태의 PNP, NPN 구조의 양방향 제너다이오드에서 측정된 전류-전압 특성곡선이다. 더블 패드이므로 I-V 특성의 대칭이 매우 정확하게 유지되고 있다. 제너전압이 7V와 12V 대해 PNP의 경우 저항이 각각 9Ω과 9.4Ω으로 측정되었으며, NPN의 경우 각각 12Ω과 18Ω으로 측정되었다. 이 저항 역시 기존의 제너다이오드에 비해 낮은 값이므로 우수한 ESD 성능과 신뢰성을 확보하는데 유리하며, 장기적 사용에 대한 신뢰성의 확보에 필수이다.
그림 12는 제너다이오드의 역방향 누설전류에 대한 특성의 차이를 보여주고 있다. 그림 12(a)의 p-top 구조에서 신소자는 전압이 -4V에서의 누설전류가 20pA 정도이므로 기존의 D와 Y의 소자에 비교하여 5~50%로 작은 특성을 보인다. 그림 12(b)의 n-top 구조에서 신소자는 전압이 -4V에서의 누설전류가 8pA 정도이므로 기존의 D와 Y의 소자에 비교하여 2~10%로 작은 특성을 보인다.
이렇게 기존의 제너다이오드에 비해 파격적으로 작은 누설전류는 전류손실을 줄여주는 장점은 물론 누설전류와 관련된 열화현상이나 전류잡음과 같은 문제를 최소화 한다는 측면에서 매우 중요한 사항이다. 누설전류는 반도체 내부나 산화막과의 계면에 존재하는 불순물 또는 결함을 통해 발생하여 잡음원이 되거나 신뢰성을 감소시키는 원인으로 작용한다.
그림 13은 제너다이오드의 고온 ESD 특성의 측정결과이다. 그림 13(a)에서 소자의 동작온도를 상온에서 높여가면서 측정한 I-V 특성으로 온도가 RT, 120℃, 150℃, 180℃로 높아짐에 따라 thermal generation된 운반자 농도의 증가로 역방향 및 순방향 전류가 67pA/℃의 차이로 증가하였으며, 안정한 특성을 보인다.
소자의 온도가 증가함에 따라 제너전압이 음의 방향으로 증가하여, 온도 계수(Tc)=+1.6 mV/℃의 값을 얻었다. 이렇게 제너전압의 온도에 다른 변화로부터 얻은 Tc 값은 제너터널링 현상과 아발란체에 의한 성분이 동시에 항복을 발생시키는 원인으로 작용함을 의미한다.
그림 13(b)와 (c)에는 소자의 동작온도를 각각 150℃와 180℃로 높인 상태에서 ESD 테스트를 한 결과이다. HBM으로 8kV의 정전기로 10회 반복하여 충격을 가하여 전기적 특성변화를 측정하였다. 정전기 충격에 의해 역방향 누설전류가 미미한 수준에서 증가하고 있으나, 측정하는 150℃와 180℃에서 모두 역방향 누설전류가 0.01A 이하의 수준을 유지한다.
보통 역방향 누설전류는 상온에서 0.1A 이하가 사양이므로 그림 13(b)와 (c)의 결과로부터 고온의 내환경 조건에서도 8kV라는 높은 정전기에 대해 견디는 능력이 매우 우수함을 알 수 있다. 그러므로 상온이라면 10kV 이상의 정전기에서 내압특성을 유지할 수 있음 것으로 판단된다.
그림 14는 제너다이오드에 역방향 바이어스를 인가한 상태에서 온도를 380℃까지 올리면서 측정한 수명테스트의 결과이다. 고온의 데이터를 연결하여 상온(25℃)에서 2×1010hrs의 수명이 예측되어 반영구적으로 사용될 수 있음을 보인다.
휴대전화 디지털카메라와 같은 휴대용 제품에 실장하는 반도체 칩의 크기를 줄이려는 현재의 일관된 기술발전의 추세는 무게와 크기를 줄이고 효율을 높이는데 매우 중요하다. 특히 LED의 ESD 보호용으로 사용되는 경우 광의 재흡수를 감소시켜 발광효율을 높게 유지하기 위해서는 칩의 두께를 가능한 줄여야 한다. 그러나 칩의 크기를 감소시키면 패키징에는 기술적 어려움이 발생한다.
그림 15는 p-top 제너다이오드 칩을 패키징할 때, 다이본딩 과정에서 실버페이스트를 이용하는 경우 발생하는 불량의 형태를 테스트한 모양이다. A 다이는 칩의 가장자리 하단에 실버페이스트가 접착한 정상적으로 잘 부착된 다이본딩 칩과 단면을 보인다. B 다이는 칩의 우측으로 일부 실버페이스트가 표면까지 롤업된 모습을 보이며, C 다이는 실버페이스트가 심하게 올라가 금속패드와 가까스로 만난 듯한 형태를 보인다.
기존의 제너다이오드의 경우 실버페이스트가 칩의 가장자리에서 2/3 높이 이상으로 롤업되어 A 다이와 B 다이 사이의 상태에서 누설전류가 급증하여 불량이 되는 문제를 보이기도 한다. 여기에서 B 다이와 C 다이는 고의로 실버페이스트를 심하게 처리하여 제작된 형태이지만 실제 패키징 양산라인에서 이러한 현상에 의해 제품불량이 발생하여 수율과 신뢰성에 문제를 발생시키기도 한다.
그림 15의 다이본딩 후에 전류-전압 특성은 그림 16과 같이 측정되었다. 실버페이스트를 고의로 롤업 시켜서 칩의 금속패드에 거의 접근한 C 다이에서 역방향 누설전류가 ~1μA 수준으로 증가함을 보였다. 이러한 결과로부터 다이본딩 공정에서 실버페이스트가 심하게 롤업이 되어 B 다이 정도(실제상황에서 이러한 정도까지는 발생하지는 않음)가 되어도 문제가 되지 않음을 알 수 있다. 따라서 시지트로닉스의 제너다이오드는 기존의 기술과 비교하여 충분히 높은 다이본딩의 공정마진을 높여줌을 알 수 있다.
상술된 바와 같이 기존의 제너다이오드에 비해 절반 이하인 전기저항 특성으로 동작하여 전압 고정(voltage clamping) 성능 우수하다. 또한, 기존의 제너다이오드에 비해 ~1/10 정도의 낮은 누설전류(역방향 구동 시 누설전류가 <0.1nA)가 흘러 신뢰성이 우수하다. 열악한 환경인 고온(180℃)에서 소자를 사용해도 정전기에 대한 보호가 8kV 이상까지 확보된다. 이러한 특성으로 인하여 한 소자의 경우 IEC6100-4-2 표준에 대하여 30kV를 만족시키는 수준으로 정전기 보호성능이 높아질 수 있다.
그 밖에도 다이본딩 공정에 있어서 실버페이스트가 칩의 가장자리를 타고 위쪽으로 퍼져도 누설전류가 폭증하지 않아서 LED 패키징의 다이본딩 공정마진이 커서 양산성에 유리하다. 동급 제너다이오드에 비해 브레이크다운이 발생하는 임계전류의 한계치가 높아서 신뢰성이 우수하다. 이렇게 신소자 구조의 제너다이오드는 세계적으로 기존의 제품과 비교하여 월등한 성능과 생산성을 제공하였다.
결 론
현재 질화물반도체를 이용하는 그린, 블루, 화이트, UV 발광소자의 ESD, 라이팅 서지에 대한 보호는 매우 중요한 기술적 이슈로서 논의되고 있다. 특히 고출력 LED를 사용하는 조명용의 경우 열과 전기적 충격에 대해 충분한 신뢰성을 확보하지 못하여 어려움을 겪고 있다. 기존의 제너다이오드의 문제점을 해결하기 위해서는 p-n 계면농도를 크게 제어하는 신소자 구조와 공정기술이 필요하다. 신소자 구조의 TVS급 제너다이오드는 다이내믹 저항이 종래보다 절반 이하로 작고, 정전기 보호전압이 8kV(HBM)보다 높아 열적-전기적 신뢰성이 아주 우수하다. 따라서 옥내외 조명, 자동차, 신호등, 가로등과 같이 내환경이 요구되는 고출력-고휘도 발광다이오드를 정전기로부터 보호하여 반영구적 수명을 보장하는데 최적이다.
그림 1. ESD의 HBM, MM, CDM에 대한 테스트 조건
그림 2. HBM, CDM, IEC, EOS에 대한 ESD 파형
ESD Model ESD Classification Max. Voltage
Human Body Model (JESD22-A114-B)
Machine Model(JESD22-A114A)
Charged Device Model (JESD22-C101)
MIL-STD-883E
IEC61000-4-2
0 249V
1A 499V
1B 999V
1C 1,999V
2 3,999V
3A 7,999V
3B 8,000V
M1 100V
M2 200V
M3 400V
M4 800V
M5 800V
C1 124V
C2 249V
C3 499V
C4 999V
C5 1,499V
C6 2,999V
C7 3,000V
1 1,999V
2 3,999V
3 >=4,000V
1 2,000V
2 4,000V
3 6,000V
4 8,000V
표 1. HBM, MM, CDM와 IEC61000-4-2 표준의 등급분류
CE Mark (Communaute‘s Europe‘ennes: European Communities)
Standard Use
IEC61000-4-2 Electrostatic discharge immunity test
IEC61000-4-3 Radio frequency radiation field immunity test
IEC61000-4-4 Electrical high speed transient burst immunity test EFT: Electrical Fast Transient (burst)
IEC61000-4-5 Lightning surge immunity test low power → ESD(8/20 μs) high power → surge(10/1000 μs)
IEC61000-4-6 High-frequency conductivity immunity test
IEC61000-4-11 Instantaneous power interruption immunity test
표 2. IEC-61000-4-x 표준의 종류와 용도
그림 3. 양방향 제너다이오드로 회로나 소자에 인가되는 트랜션트 전압의 제어
Ceramic Capacitor
Zener Diode
Transient Voltage Suppressor(TVS)
Multilayer Varistor
Schottky Barrier Diode (SBD)
Barely withstands high-voltage ESD surges; Surge energy does not dissipate against heat Ceramic
Strong resistance to surge than ceramic capacitors; High clamping voltage; heat dissipation is slow Small Stable DC power regulation
Stronger resistance to surge than ceramic capacitors Low clamping heat; Available in small packages Surge and transient voltage protection
Rugged; does not fail even at highest voltage level; Low dc breakdown; Ceramic; surface-mount packaging
Protects limited parts of a printed circuit board; Low clamping voltage Surface-mount packaging; ESD protection for high-frequency data circuits
표 3. ESD 보호용 소자의 종류별 특징
그림 4. 제너다이오드의 전형적인 I-V 특성
그림 5. 여러 형태의 제너다이오드 단면구조
그림 6. LED 보호를 위한 단위회로 구조의 사례
그림 7. (a) III-Nitrides 에피의 단면구조, (b) V형 결함의 확대된 모습, (c) ESD에 의해 Failure가 발생한 LED의 표면상태 (3), (4)
구 분 특 징(특성)
제너 전압(V) 4, 7, 8, 9, 12, 14
접합 구조 단일방향(p-top, n-top), 양방향(p-n-p, n-p-n)
전극 패드 구조 단일, 이중, 삼중(Single, double, triple)
패키징 종류 LLP, VSM, SOT, SMD, etc.
칩 두께 80~150μm
표 4. LED의 정전기 보호용 제너다이오드의 주요 사양
그림 8. LED의 ESD 보호용 TVS급 제너다이오드 칩의 사진
그림 9. P-top 구조 제너다이오드의 전류-전압과 역방향의 다이내믹 저항 특성
그림 10. N-top 구조 제너다이오드의 전류-전압과 역방향의 다이내믹 저항특성
그림 11. 양방향(PNP, NPN) 제너다이오드의 전류-전압 특성
그림 12. 제너다이오드의 역방향 누설전류 특성비교
그림 13. 제너다이오드의 내환경(고온) ESD 특성
그림 14. 고온에서의 가속테스트에 의한 수명예측
그림 15. 실버페이스트를 이용한 다이본딩 단면상태 (공정 마진 테스트)
그림 16. 실버페이스트 롤업에 대한 다이본딩 후 전류-전압 특성
용어해설
1. 제너다이오드(Zener diode): 반도체로 제작하는 소자의 하나이며, 회로에서 정전압을 발생시키거나 정전기 보호를 위해 사용함
2. LED(Light Emitting Diode), 발광다이오드: 전기를 광으로 전환하는 기능을 가지고 있는 반도체 소자로서, 조명, 디스플레이 BLU(Back Light Unit), 신호등, 간판, 자동차 등에 이용됨
3. 다이본딩(Die bonding): 반도체 칩을 다이(die)라 부르며, 패키징을 위해서 보통 리드프레임이라는 기판에 부착하는데 이를 다이본딩이라고 함
4. 항복(Breakdown): 반도체소자에 일정한 값 이상의 전압이 인가되면 소자의 온도가 심하게 올라가게 되고 이어서 파괴되는데 이를 항복이라고 함
5. LLP(Leadless Leadframe Package), VSM, SOT, SMD: 패키징하는 방식의 종류들
6. RoHS(Restriction of Hazardous Substances): 유해물질 사용 제한 지침
7. MSDS(Materials Safety Data Sheets): 물질안전 보건자료
8. ESD(Electrostatic Discharge): 정전기라 하며, 보통 서로 다른 물체가 마찰하면 정전기가 유도됨. 이렇게 유도된 정전기의 차이가 있는 물질이 맞닿게 되면 전기가 갑자기 흐르면서 스파크가 발생함. 이로 인하여 소형의 반도체 소자들은 충격을 받아 항복이 일어나거나 성능이 저하되게 됨. 따라서 작은 반도체 소자와 칩들의 경우 정전기(ESD)로부터 보호하기 위하여 특별히 제작된 반도체 소자인 제너다이오드를 부착하여 사용함. 제너다이오드는 정전기를 빠르게 외부로 빼주는 역할을 함
9. 누설전류(Leakage Current): 대부분의 반도체 소자는 전류가 흐르는 "on" 상태와 전류가 흐르지 않는 "off" 상태를 유지하는데, "off" 상태에 두었음에도 불구하고 조금씩 흐르는 전류를 누설전류라 함
참고문헌
1. http://www.esda.org
2. http://www.renesas.com/en/diode
3. K.H. Shim, Journal of Korean Vacuum Society, Vol. 14, No.2, pp. 84-90, 2005.
4. Y. K. Su, S. J. Chang, S. C. Wei, Shi-Ming Chen, and Wen-Liang Li, IEEE Trans. On Device and Materials Reliability, Vol. 5, No. 2, June, 277, 2005.
5. S. S. Choi, D. H. Cho, and K. H. Shim, Electronics Materials Letter (to be published).
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