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GaN 신뢰성 및 수명 예측: 15단계(5)

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글/Ricardo Garcia, Siddhesh Gajare, Ph.D., Angel Espinoza, Max Zafrani, Alejandro Pozo, Ph.D., Shengke Zhang, Ph.D., EPC

VDD 로직 전원 전압

레이저 드라이버 회로로 EPC21601이 짧은 펄스들로 이루어진 버스트를 발생시키면서 작동하고 있을 때 LV GaN FET 게이트와 HV GaN FET 게이트로 로직 전원 전압(VDD)을 인가하는 방법으로, 1kHz 버스트 주파수로 매우 낮은 듀티 사이클(~0.02%)과 높은 동작 주파수로 모든 GaN FET들에 대해서 동적 게이트 테스트를 실시했다. 펄스를 발생시키지 않을 때는 디바이스가 오프 상태이고, 게이트 바이어스가 거의 0이다(그림 19b).

HTOL 테스트를 위해서, VDD를 절대 최대 정격인 5.5V로 바이어스했는데, 125℃ 접합부 온도로 1000시간 테스트한 후에 어떠한 문제가 발견되지 않았다. 디바이스 견고성을 더 알아보기 위해서, VDD 전압을 7V로 높였다. 이것은 절대 최대 정격보다 125% 높은 것이다. 이 스트레스 조건은 정상적으로 작동하면서 VDD 핀으로 최악 과전압 링잉에 해당된다. 표 20은 16개 디바이스를 7V VDD와 125℃ 접합부 온도로 1049시간 동안 테스트했을 때의 테스트 결과를 보여준다. 이 시간 동안에 어떠한 결함도 발생되지 않았다. 그러므로 이 레이저 구동 IC 제품이 성능 상의 여유가 상당하다는 것을 알 수 있다.

이 결과로는 결함이 발생되지 않았기 때문에, 이 제품이 얼마만큼 여유가 있게 설계되었는지 알기가 어렵고 또 VDD 스트레스에 대해서 특정한 미션 프로파일로 수명을 정확하게 예측하기가 어려웠다. 그러므로 좀더 격심한 스트레스 조건을 가해서 디바이스들이 결함을 일으킬 때까지 테스트하는 것이 필요했다. 디바이스들이 빠르게 결함을 일으키도록 하고 결함을 분석함으로써 결함 모드와 결함 메커니즘을 이해할 수 있다.

VDD 스트레스의 전압 가속화를 알아보기 위해서, 표 21에서 보듯이 25℃로 8.5V와 9.5V로 테스트를 실시했다. 8.5V VDD로는 1000시간 넘게 테스트한 후에 총 3개 디바이스가 결함을 일으켰는데, 9.5V로는 거의 모든 디바이스가 305시간 만에 결함을 일으킴으로써 상당한 전압 가속화가 발생된다는 것을 알 수 있었다.

VDD는 8.5V로 고정하고 25℃와 125℃의 두 가지 온도로 온도 가속화의 영향도 살펴보았다. 표 22는 이 결과를 보여주는 것으로서, 상당한 온도 가속화가 발생된다는 것을 알 수 있다.

결함 분석을 실시했더니, 모든 결함이 정지 전류(quiescent current)가 20mA의 최대 데이터시트 한계[23]를 초과함으로 인해서 발생된 소프트 파라미터 결함인 것으로 드러났다. 좀더 자세히 살펴보니, 오프 상태로 VD = 20V, VIN = 3.3V, VDD = 5V의 특정한 라이다 동작으로 테스트할 때만 정지 전류가 데이터시트 한계를 초과한다는 것을 알 수 있었다. VDD 핀만으로 통상적인 DC 특성분석으로는 결함 모드가 드러나지 않았다.

라이다 동작으로 15V VD로 정지 전류 소프트 결함을 가했을 때는 펄스 무결성이 훼손되지 않았다. 그림 20은 정지 전류 결함일 때의 VIN(EPC21601의 로직 입력) 입력 신호 파형(파란색)과 VD 출력 신호(초록색과 노란색)를 보여주는 것으로서, 펄스 왜곡이나 펄스 소실이 발생되지 않는다는 것을 알 수 있다. 그러므로 디바이스가 극히 높은 VDD 스트레스로 인해서 손상을 입더라도 여전히 작동하고 레이저 펄스 성능이 부정적으로 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다.

각기 다른 전압 및 온도로 모든 결함이 비슷한 ‘소프트’ 전기 결함을 나타내기 때문에, 근본적인 원인이 무엇인지 알아보기 위해서 물리적 결함 분석을 실시했다. 스트레스 전압 및 온도에 상관없이 모든 결함이 드라이버 회로로 LV GaN FET 게이트 파열이 단일한 결함 메커니즘인 것으로 드러났다. 이 결과는 회로 분석을 통해서도 예상할 수 있는 것이다. 펄스를 발생시킬 때 LV 및 HV GaN FET 게이트들로 VDD 전압을 인가하기 때문이다.

그림 21은 실온으로 두 가지 VDD 전압으로 ‘time-to-failure’(결함 발생까지의 시간) 데이터를 보여준다. 각기 전압으로 2파라미터 베이불 분포를 사용해서 최대 우도 추정법(maximum likelihood estimation: MLE)으로 데이터를 분석했다. 이렇게 해서 얻어진 것이 그래프 상의 선들이다. 결함 분석을 통해서 단일한 결함 모드인 것으로 드러났기 때문에, 두 전압으로 베이불 형태 (혹은 기울기) 파라미터를 같게 만들었다.

9.5V VDD로 MTTF(mean-time-to-failure: 결함 발생까지의 평균 시간)는 약 117시간으로 계산된다. 이것은 4.2 x 105 초에 해당된다. 14단계 신뢰성 보고서[2]의 그림 1과 그림 2에서 25℃로 EPC2212의 9.5V VGS DC 테스트의 MTTF는 약 150초이다. 이것을 이 HTOL 테스트에 사용된 0.02% 버스트 듀티 사이클로 스케일링하면 7.5 x 105 초에 해당된다. EPC21601과 EPC2212는 게이트 구조가 동일하고 동일한 게이트 제조 프로세스를 적용하고 있다. EPC2212의 정적 DC VGS 테스트로부터 환산한 이 결과가 EPC21601로 동적 가속화 게이트 테스트를 실시해서 측정된 MTTF와 근접한다는 것을 알 수 있다.

두 MTTF 값이 정확하게 일치하지 않는 것은 테스트 셋업 및 구현에 있어서 차이 때문일 것이다. 예를 들어서 극히 짧은 펄스 동안에 동일한 VDD 핀을 통해서 동시에 모든 LV FET의 게이트들로 스트레스를 가했는데, 이때 게이트들로 약간의 링잉이 발생될 수 있다. 이 때문에 EPC2212의 DC 가속화 게이트 테스트 결과와 비교해서 EPC21601로 MTTF가 약간 더 나쁜 것으로 설명할 수 있다.

EPC21601과 EPC2212 사이에 근접한 MTTF 결과는 EPC가 14단계 신뢰성 보고서[2]에서 게이트 신뢰성과 관련해서 개발한 물리학 기반 모델의 유효성을 입증하는 것이다. 두 가지 바이어스의 VDD로 측정된 데이터를 근거로 해서 전압 가속화에 대해서 동일한 수명 공식(공식 1)을 적용할 수 있다.

그림 22는 EPC21601로 25℃로 측정된 가속화 데이터를 근거로 한 수명 예측을 보여준다. 그림을 보면, 25℃로 5.5V의 최대 VDD 전압 정격으로 1ppm 미만의 고장률(failure rate)로 25년 이상의 수명이 예측된다. 이 결과는 정적 DC 게이트 바이어스로 5.5V로 외삽한 수명과도 일치한다.

그림 23은 VDD를 8.5V로 고정하고 25℃와 125℃의 두 가지 온도로 ‘time-to-failure’ 데이터를 보여준다. 이 데이터 역시 각기 온도로 2파라미터 베이불 분포를 사용해서 최대 우도 추정법(MLE)으로 분석했다. 결함 분석을 통해서 단일한 결함 모드인 것으로 파악되었기 때문에, 베이불 형태 (혹은 기울기) 파라미터를 두 온도로 같게 만들었다. 디바이스들을 오븐에서 꺼내고(125℃ 경우) 마더보드에서 제거한 후에 ATE 검사를 실시해서 각기 디바이스로 결함이 발생되기까지 시간을 기록했다. 125℃로 72시간에 첫 번째 검사 시점에 다수의 ‘소프트’ 정지 전류 결함이 발견되었다. 베이불 플롯 상으로 수직으로 일단의 결함 데이터 점들이 발생된 것을 볼 수 있다. 125℃로 718시간에 마지막 결함이 관찰되었다. 반면에 25℃로는 1000시간이 넘어서 총 3개의 소프트 결함만이 관찰되었다(표 22 참조).

그림 24는 VDD = 8.5V로 25℃ 및 125℃로 MTTF 데이터의 아레니우스(Arrhenius) 플롯을 보여준다. 아레니우스 공식[24-26]을 사용해서 활성화 에너지는 0.35eV인 것으로 계산되었다. 이 결과는 디스크리트 GaN 제품으로 정적 HTGB 테스트를 실시해서 관찰된 것과 차이가 있다. 일차적인 결함 분석을 통해서, 25℃ 또는 125℃ 테스트 온도에 상관없이 모든 소프트 정지 전류 결함으로 게이트 파열이 기본적인 결함 모드인 것으로 드러났다.

온도 가속화를 일으키는 결함 메커니즘에 대해서는 좀더 조사가 필요해 보이나, 이 레이저 드라이버 IC가 VDD 스트레스에 대해서 견고성이 매우 우수한 것으로 확인할 수 있다.

VD 레이저 구동 전압

VD 핀을 연결하는 회로를 분석해 보았더니, 가속화 VD HTOL이 EPC21601로 두 가지 결함 모드를 일으킬 수 있는 것으로 파악되었다.

1. VD는 주로 HV GaN FET의 드레인 단자로 전달된다. 라이다 동작의 특성상, HV 출력 FET은 대부분의 시간에 역 드레인 바이어스 상태이다. 레이저 펄스가 발생될 때 HV FET이 턴온하고 전류를 전도한다. 가속화 VD HTOL 테스트는 기본적으로 높은 듀티 사이클로 동적 HTRB 테스트를 실시하는 것에 해당된다. 그러므로 디스크리트 GaN 트랜지스터의 가속화 드레인 바이어스 테스트 시에 발생된 내인성 결함 모드를 적용할 수 있다.

2. VD 핀은 레이저 드라이버 회로로 구동 전압을 제공할 뿐만 아니라 디바이스가 발생시키는 펄스 수를 결정한다. 가속화 VD 스트레스로 인해서 이 경로가 훼손되면 펄스 소실로 이어질 수 있다. 펄스 소실은 라이다 애플리케이션으로 또 다른 중요한 결함 모드이다.

데이터시트[23]에서 지정한 최대 권장 전압인 30V VD로 HTOL 테스트를 실시했다. 표 23에서는 가속화 VD HTOL 테스트의 테스트 조건들을 보여준다. 60V VD를 선택하고 있는 것을 볼 수 있는데, 이것은 최대 권장 전압 정격의 두 배로서 극한적인 가속화 조건이다. 다만 이 전압은 HV 출력 FET으로 어떤 다른 알려진 내인성 결함 모드를 일으킬 만큼 높은 것은 아니다. 그렇더라도 60V는 드라이버 디자인으로 공격적인 ‘test-to-fail’(실패 테스트) 조건이다. 표 23에서는 1000시간이 넘는 테스트 후에 아무런 결함이 발생되지 않았다는 것을 알 수 있다. 모든 디바이스가 사후적인 ATE 검사에서 데이터시트 한계 이내인 것으로 나타났다.

디바이스들이 모든 데이터시트 한계를 통과했다는 것은 이들 한계 이내에서 어떠한 심각한 결함 모드가 발생되지 않았다는 것을 뜻한다. 그렇더라도 위에서 두 번째 결함 모드로 지적한 바와 같이, 펄스 왜곡이나 펄스 소실 같은 문제가 있을 수 있다. ATE 검사를 통과한 디바이스들의 펄스 파형을 좀더 확인해보기 위해서, VD = 60V 및 TJ = 125℃ 조건으로 테스트한 디바이스들을 다시 테스트 셋업에다 탑재하고 60V 및 125℃로 입력 및 출력 펄스 파형을 포착했다. 그림 25는 이 결과를 보여준다.

그림 25에서는 1000시간이 넘는 HTOL 테스트 후에 펄스 파형으로 어떠한 저하가 관찰되지 않는다는 것을 알 수 있다. 다만 한 가지 언급하자면, HTOL 시에 짧은 펄스로 인해서 HV 출력 트랜지스터로 매 펄스 끝에 25V 이상의 오버슈트가 발생되고 있다. 그러므로 디바이스가 VD로 60V의 공칭 스트레스(최대 권장 바이어스의 두 배)에 더해서 반복적으로 85V 이상의 트랜션트 과전압 스트레스(절대 최대 정격 = 40V의 두 배 이상)를 겪는다고 할 수 있다. 그러므로 이 디바이스가 VD 스트레스에 대해서도 견고성이 우수하다는 것을 확인시켜준다.

125℃로 60V VD로 테스트하는 것은 극히 엄격한 테스트 조건에 해당된다. 드레인 바이어스를 이보다 더 높이면 HV GaN 트랜지스터로 또 다른 내인성 결함 메커니즘이 발생될 수 있을 것이다. 하지만 이처럼 높은 수준의 드레인 바이어스는 라이다 애플리케이션이나 레이저 구동 IC의 신뢰성에는 해당되지 않는다. 결론적으로 말해서, 레이저 전원 전압(VD) 테스트로 어떠한 결함 모드도 관찰되지 않았다.

동작 주파수

적은 수의 샘플 크기로 예비적인 디바이스 특성분석을 통해서, 극단적으로 높은 동작 주파수로 테스트하면 펄스 파형이 왜곡될 수 있다는 것을 알았다. 그러므로 어떤 주파수로 혹은 얼마 동안의 HTOL 테스트에 펄스 파형이 심한 왜곡이나 펄스 소실을 일으키는지 알아보는 것이 필요했다.

표 24에서 보는 것과 같이 두 가지 높은 동작 주파수로 테스트를 실시했다. 48MHz와 96MHz는 30MHz의 최대 권장 동작 주파수의 160% 및 320%이다. 1400시간 넘는 테스트 시간 동안 어떠한 결함도 발생되지 않았다. 모든 디바이스가 사후 ATE 검사를 통과하고 모든 파라미터가 데이터시트 한계 이내였다.

그림 26은 48MHz HTOL 테스트로 1413시간 후에 검사를 통과한 디바이스의 입력(보라색) 및 출력(파란색) 파형을 보여준다. 어떠한 파형 왜곡이나 펄스 소실이 발생되지 않았다는 것을 알 수 있다. 그림 27은 96MHz HTOL 테스트로 1413시간 후에 검사를 통과한 디바이스의 입력(보라색) 및 출력(파란색) 파형을 보여준다. 역시 어떠한 파형 왜곡이나 펄스 소실이 발생되지 않았다는 것을 알 수 있다.

현재까지 장기간에 걸쳐서 거의 100MHz에 이르는 HTOL 테스트로 어떠한 결함 모드가 발견되지 않았다. 이 또한 이들 레이저 드라이버 IC 제품의 견고성을 입증한다.

leekh@seminet.co.kr
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