GaN 베이스 LED의 신뢰성을 결정하는 물리적 메커니즘에 대한 검토

GaN 베이스 LED의 신뢰성을 결정하는

물리적 메커니즘에 대한 검토

1. 서론

○ GaN 베이스 LED(light-emitting diodes)는 높은 광 효율(백색 LED는 150lm/W 이상)과 긴 수명, 절연파괴와 정전기 방전에 대한 견고성, 또 경제성과 발광 파장조절도 쉽기 때문에 차세대 광원으로 각광을 받고 있다. 백색 LED는 특히 고체 광원과 디스플레이의 후면 광원으로, 또 자동차 조명과 휴대용으로 그 성능이 개량되어감에 따라서 그 응용을 위하여 고성능과 높은 신뢰성이 요구되고 있다.

○ 백색 LED는 다음과 같은 요소로 구성된 복합 시스템이다. 1)퀀텀 우물구조를 갖는 반도체 칩, 2)기계적으로 강하고 낮은 열 저항을 갖는 패키지, 3)광 추출을 위한 최적화된 렌즈, 4)LED 칩에서 발광되는 청색광을 백색으로 변환시키는 인광 층, 그리고 5)열을 효과적으로 처리할 수 있는 구리 프레임이다.

○ 위의 모든 요소는 LED의 에이징(aging) 동안에 열화가 이루어지며 이들은 디바이스의 수명을 결정한다. LED의 열화 메커니즘에는 다음과 같은 것이 있다.

1)디바이스의 활성 층에서 비발광센터로 인한 내부 양자 효율의 감소

2)수산화마그네슘 복합물의 생성에 기인한 다이오드 p측에서 억셉터(acceptor)의 농도 감소

3)프로세스에 의한 디바이스 활성층에서 캐리어의 방출(예: 터널링)

4)p-n 반도체 접합에서 정전기에 의한 단락

5)고온에 의한 또는 LED 단파장 복사에 의한 플라스틱 렌즈의 열화

6)고온에 의하여 인 층이 흐려지는 것 등이 있다.

○ 디바이스의 정상적인 작동 중에도 상기와 같은 열화는 일어나고 가속되기도 한다. 이러한 것들은 디바이스의 활성 층에서 전류에 의하거나 역바이어스 또는 정전기에 의해서 발생된다. 전력 LED는 비교적 높은 전류에서 구동된다. 1Amp에서 동작하는 1mm2칩의 전류밀도는 100A/cm2 이상이다. 이 정도의 전류는 디바이스의 활성 층에서 결함을 유기시키는 데 충분하다. 이는 또한 에이징 동안에 LED의 효율을 감소시킬 수 있다.

○ 이 글의 목적은 LED 신뢰성 면에서 가장 치명적인 결함을 개괄하여 보고자 하는 것이다. 여러 다른 구성 요소를 갖는 LED구조, 즉 활성층, 접속부위, 패키지 또는 인 시스템에 대해서 에이징 시험을 통하여 조사하였다. 특히 다음과 같은 내용에 대하여 보고한다.

1)비방사센터의 생성으로 인한 직류(dc)바이어스에 노출된 LED의 효율 감소,

2)역바이어스 또는 정전기에 노출된 GaN 베이스 LED의 열화,

3)고온 스트레스에 노출된 GaN 베이스 LED 저항 접속부의 열화,

4)백색 LED에서 패키지/인 시스템의 광 특성 열화 등이다.

2. GaN 베이스 LED의 고장 메커니즘

○ 다음 내용이 GaN 베이스 LED의 수명을 제한하는 열화기구를 개관할 수 있게 한다. 열화기구는 실험과정과 일련의 샘플을 통하여 분석하였다. 이 글에서 보고하는 대부분의 결과는 2008-2009년 사이의 R&D 프로토타입(prototype)과 일반상품에서 얻은 것이다.

○ 비방사 재결합의 증가

- 직류(dc) 스트레스가 가해진 LED의 광학적 열화가 디바이스 내 활성층의 결함을 증가시키는 데 관련이 있음을 많은 연구자가 지적하여 왔다. 이러한 종류의 열화는 LED의 강한 열적 작용 없이 저전류 동작 중에도 일어난다.

- LED 광 출력은 0.1, 10, 60, 85A/cm2로 1000시간 스트레스를 가하면서 측정한 결과는 0.1, 10A/cm2 경우에는 스트레스를 가한 시간에 따라 급격히 떨어지나 60A/cm2 에서는 스트레스에 관계없이 거의 일정하였다. 이는 비방사 재결합이 증가하여 생기는 현상으로 외부양자효율(external quantum efficiency)과 전류와의 관계에서 알 수 있다. 낮은전류에서는 LED의 활성 층에서 비방사 재결합 센터(centers)가 증가하는 반면 높은 전류에서는 이 센터들이 포화되기 때문으로 해석된다.

- 활성 층에서 불순물의 존재는 비활성 재결합의 가능성을 증가시킬 수 있다. 이는 LED의 효율을 떨어뜨린다. Mg와 같은 불순물이 디바이스의 활성 층에 존재하면 비방사 재결합 센터로 활동하게 된다.

○ 역바이어스에 의한 열화

- GaN-베이스 LED 신뢰성은 통상 순방향 바이어스 스트레스 시험으로 평가하게 된다. 그러나 역바이어스에 노출되는 것은 LED에서 매개 변수적 또는 치명적인 결함을 유기할 수 있다. 역바이어스는 누설전류를 증가시키거나 터널링을 일으키게 한다,

- LED 내에서 방출된 캐리어는 역바이어스 작용으로 나타나는 강전계로 인하여 이들은 높은 에너지를 갖게 된다. 이로 인하여 격자구조에 작동하게 되고 또 활성 층에서 결함을 발생시켜 전파하게 한다. 그리하여 디바이스의 전기적 특성을 점차 나쁘게 할 수 있다.

○ 정전기 방전에 의한 고장

- 정전기 방전은 GaN 베이스 LED에 치명적인 결함을 준다. 초기 디바이스에는 HBM(human body model)으로 결정되는 500V 이하에 견디도록 하였으나 기술의 진전으로 현재 2kV까지도 견딜 수 있게 되었다. 이것은 SiC기판 재료가 개발되어 가능하게 된 것이다. SiC기판은 사파이어 기판에 버금간다.

- 분석된 대부분의 디바이스에서는 순방향 바이어스보다 역바이어스에서 더욱 취약하였다. 역바이어스인 경우에 미세 통로를 통한 누설 전류밀도가 크게 된다. 이로 인하여 접합부에서 단락이 생기는 치명적인 결함도 생긴다. 이의 대책으로 과거 수년 동안 실리콘 다이오드를 사용하기도 하였고 한 연구 그룹은 접합부에 커패시턴스를 사용하기도 하였다. 또 다른 방법으로 디바이스의 활성 층 가까이 Si 도핑을 집중시키는 방법도 있다.

- 정전기 방전의 발생은 접속부 또는 메사(mesa)의 구조나 모양에 의해서 결정되기도 한다. 도체 부위나 메사는 가능한 뾰족하게 솟아난 부위가 있어서는 안 된다. 이러한 금속 부위나 메사는 전계의 집중을 가져오고 이것은 정전기에 대하여 방전의 취약성으로 나타나게 된다.

○ 저항 접속부위 및 P형 부위의 열화

- GaN 베이스 LED의 전기적 특성은 고온과 전류 스트레스에 의해 크게 영향 받고 있는 것으로 보고하고 있다. 이것은 LED 동작 전압의 상승에 따라 일어날 수 있는 것이다. 이와 같은 열화는 InGaN LED의 초기 기술 단계에서 종종 있었던 일이다.

- I-V커브에서 대부분의 경우에 처음에 동작 전압을 증가시키면 광 출력은 감소한다. 이것은 전류와 복사 집결에 관련된다. 이전의 보고에서 이러한 열화는 Mg 억셉터와 반도체 내의 수소분자에 관련이 있을 것으로 보았다. 이 영향은 다음의 효과와 더불어 Mg-H 결합생성을 의미한다.

․ 1)유효한 억셉터 집중을 낮춘다.

․ 2)금속과 반도체 접속부 및 P형 중성점 부위의 저항을 증가시킨다.

․ 3)P형 저항 접속부에서 쇼트키 장벽을 넓힌다.

․ 4)집중 효과에 기인한 전류 분포의 균일성을 나쁘게 한다.

- 고온과 전류의 흐름은 접속부위에 태생적 열화를 유기할 수 있다. 최근에는 어떤 종류의 LED에서는 금속 접속부위에 부분적으로 다른 금속을 접속하여 결과적으로 이 금속 층에서 비접속으로 인하여 스트레스가 생기도록 또는 다른 금속 사이에 열적 불균형 결합으로 접속점을 만들고 있음이 보고되고 있다. 이 효과로 LED의 직렬 접속저항을 증가시킬 수 있다.

○ 백색 LED 색채특성의 열화

- 백색 LED에서 발광은 통상 청색 LED칩으로부터 얻는다. 청색 복사로부터 인광 층을 통하여 초록-황색 광의 스펙트럼까지 확장한다. 일반적으로 반사형 패키지는 광 추출 효과를 높이기 위하여 채용한다. 패키지와 인 시스템은 고온과 전류 스트레스에 의하여 열화 되고 이로 인하여 백색광의 색채특성도 나빠진다.

- 온도와 전류에 따른 백색 LED의 열화를 알기 위한 일련의 샘플시험을 실시하였다. 그 결과 광속(luminous flux)의 열화율은 LED 정크션 온도가 지배적임이 명백하였다. 대부분의 경우에 스트레스에 노출된 백색 LED는 광학적 특성의 열화에 기인되었다. 반면에 열화의 역학에서는 전류 스트레스에 의존함이 미약하였다. 스트레스를 가한 후의 백색LED는 그들의 스펙트럼이 청색 쪽으로 편이 되었다. 결과적으로 색채특성은 청색을 많이 띄게 된다.

- 백색 LED의 열화역학을 자세히 기술하기 위해서는 디바이스가 스트레스를 받으면서 정크션 온도에 도달하여 고장나기까지 시간(TTF70%)을 분석하여야 한다. 백색 LED의 TTF70%는 Arrhenius와 같은 스트레스 온도 의존성을 갖는다. 열화과정의 에너지는 LED에 사용된 재료와 프로세스에 종속적이다.

3. 검토 및 결론

○ 일정전류 스트레스는 디바이스 활성 부위에서 비방사 재결합률을 증가시키므로 이를 이용하여 GaN 베이스 LED 효율에서 감소량을 결정할 수 있다. LED의 전기적 특성의 자세한 분석은 이러한 종류의 열화가 LED의 활성 부위에서 전하분포의 변형에 관련이 있다는 것을 제시한다. 측정 데이터를 기초로 하고 문헌을 참고하여 열화에 대하여 기술할 수 있었다.

○ 역바이어스 스트레스는 GaN 베이스 LED 전기적 특성에 대한 열화를 가져올 수 있고 특히 디바이스에서 역전류의 증가에 대해서 말할 수 있게 한다. 열화는 이미 존재한 결함인 통로를 통하여 가속된 캐리어 주입으로 디바이스의 활성 층의 결점 생성과 파급을 기술할 수 있게 한다.

○ 정전기 방전에 노출된 LED는 치명적인 고장을 보인다. 대부분의 경우에 LED는 정전기 방전이 끝난 뒤에는 단락회로로 된다. 구조적 결함, 즉 누설 전류도통이 있는 경우에는 GaN 베이스 LED의 역바이어스와 정전기 방전에 대한 견고성을 제한하는 것을 지적할 수 있다. 더욱 기술적 취약성, 예를 들면 메사의 경계에 대한 잘못된 정의는 LED의 정전기에 대한 견고성을 제한한다.

○ 고온 스트레스는 LED의 전기적 특성의 열화를 결정할 수 있다. 특히 디바이스의 동작전압을 높일 수 있다. 대부분의 이 경우에 열화는 디바이스의 저항 접속부와 중성점의 저항률의 증가에 기인된다. 이런 종류의 프로세스는 Mg-H결합의 생성에 기인한 억셉터 도핑물의 부분적 보상에 속하는 것으로 생각된다. 그리하여 소위 전류와 복사 집중에 이르게 한다. 접속이 최적화 되지 못한 LED는 높은 스트레스 조건에서 디바이스의 저항률이 증가하여 접촉 층을 부분적으로 분리하게 만든다.

○ 고온의 스트레스는 백색 LED의 색채특성을 명백히 열화시킨다. 열화는 LED의 패키지와 인 시스템의 광학적 특성을 나쁘게 한다. 다른 문헌으로부터 보충하면 이러한 열화 과정은 0.4~1.5eV 범위의 활성 에너지로 열적으로 활성화 된다.(의 열적작용이다.)

○ 요약하여, 최근의 기술의 진전은 고효율의 LED의 성장을 허용하게 하였고 이것은 다음 세대의 고체 광 시스템을 실현하는 데 적합한 것이 될 것이다. 비록 신뢰성 문제는 이미 방향을 정했지만 많은 과제가 고전력 LED의 수명을 제한하고 있다. 성장과 패키지 프로세스의 최적화에 기본을 둔 집중 연구만이 이 논문에 기술한 신뢰성에 대한 해답을 찾도록 인도할 것이며 큰 전류와 높은 온도에서 동작할 수 있고 50,000 ~ 100,000시간의 수명을 가진 LED의 개발을 이루어낼 것으로 본다.

출처 : Matteo Meneghini, Augusto Tazzoli, Giavanna Mura, Gaudenzio Meneghesso, Enrico Zanoni, "A Review on the Physical Mechanisms That Limit the Reliability of GaN- based LEDs", IEEE TRASACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES, 57(1), 2010, pp.108~118

◃전문가 제언▹

○ 백색 LED(light-emitting diodes)는 빛의 3원색 적청녹(RGB) LED소자를 합하여 만들거나 청색으로부터 인광 층을 넣어서 녹색과 황색을 얻고 이를 이용하여 백색을 얻는 방법 등 다양한 방법으로 백색 LED를 만들고 있다. 이미 미국과 일본에서는 청색의 LED로부터 인광 층을 입혀 90lm/W의 셀을 상품화하였다. 금년 중에는 150lm/W 이상의 광효율을 갖는 제품이 나올 것으로 전망된다.

○ GaN 베이스 LED(light-emitting diodes)는 높은 광 효율과 긴 수명, 복사 파장조절도 쉽기 때문에 차세대 광원으로 각광을 받고 있다. 백색 LED는 특히 고체 광원과 디스플레이의 후면 광원으로, 또 자동차 조명과 휴대용으로 그 성능이 개량되고 있어 조명을 위한 모든 백열등, 형광등, 심지어 고휘도 수은등까지도 대치할 것으로 전망되는 차세대 광원이다.

○ 백색 LED는 다음과 같은 복합 시스템으로 구성된다.

1)퀀텀 우물 구조를 갖는 반도체 칩,

2)기계적으로 강하고 낮은 열 저항을 갖는 패키지,

3)광 추출을 위한 최적화된 플라스틱 렌즈,

4)LED 칩에서 복사되는 청색광을 백색으로 변환시키는 인광 층, 그리고

5)열을 효과적으로 처리할 수 있는 금속 프레임이다.

○ 국내에서도 백색 LED를 사용한 전구 및 기존의 형광등을 대신하는 조명 등이 중소기업에서 만들어져 판매되고 있다. 그러나 이들은 모두 LED에 관한 원천기술은 없고 백색 LED 칩을 수입하여 제품을 만들고 있다. LED 칩 또한 통일된 규격 없이 개별 회사 별로 만들어지기 때문에 신뢰성, 수명, 특성이 제각기 다르다. 친환경 광원으로 각광을 받는 녹색 성장 산업인 백색 LED 조명기구에 대하여 제품화에 통일된 규격이 추진되어야 할 단계에 있다.

○ 이러한 시점에서 GaN 베이스 LED의 신뢰성에 대한 검토는 백색 LED를 사용하여 조명기구를 개발하려는 시점에서 반드시 짚고 가야 할 과제이다. 규격화를 위하여 검토되어야 할 문제이며 차후 고체 광 개발을 위하여 필독해야 할 자료이다.

한국과학기술정보연구원 / 전 문 연 구 위 원 / 양 배 덕(ybd7926@reseat.re.kr)

 

Source : KISTI