KR102283708B1 - Led 드라이버 및 관련 조명 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예는 발광소자를 구동시키는 드라이버를 개시했고, 정류 회로 및 전류 구동 회로를 포함한다. 상기 정류 회로는 교류 입력 전원에 전기적으로 연결되어 직류 전원을 생성하며, 직류 전원선과 접지선 사이에 걸쳐 있는 적어도 하나의 정류 다이오드를 포함한다. 상기 전류 구동 회로는 적어도 하나의 정전류원을 포함한다. 상기 정전류원과 상기 발광소자는 상기 직류 전원선과 상기 접지선 사이에 직렬 연결된다. 상기 정전류원은 상기 발광소자를 구동시키는 정전류를 제공할 수 있다. 상기 정류 다이오드와 상기 정전류원은 하나의 단일 반도체 칩 상에 공통으로 형성된다.

Description

LED 드라이버 및 관련 조명 시스템{LED DRIVER AND ILLUMINATION SYSTEM RELATED TO THE SAME}
본 발명은 LED 드라이버 및 관련 조명 시스템의 구동에 관한 것으로, 특히 간단한 구조를 갖는 드라이버 및 조명 시스템에 관한 것이다.
최근, 양호한 전광 변환 효율 및 작은 제품 부피로 인해, LED(Light-emitting diode)는 점차 음극 형광 램프 또는 텅스텐 필라멘트를 대신하여 백라이트 또는 조명 시스템의 광원이 되고 있다. 다만, LED의 전압전류 특성(약 3볼트, 직류 전력 구동)때문에, 일반 상용전원의 교류 입력 전원은 LED를 직접 구동시킬 수 없고, 교류 입력 전원을 적절한 직류 전원으로 변환시키는 전력 변환 장치가 필요하다.
조명의 전력 사용은 종종 상용전원의 상당히 큰 부분을 차지한다. 따라서, 조명에 사용되는 전력 변환 장치에 대해, 법적으로 매우 낮은 변환 손실을 요구하는 것을 제외하고, 반드시 양호한 역률(역률은 0 내지 1 사이)이 제공되어야 한다. 전자장치의 역률이 1에 근접할수록, 상기 전자장치는 저항성 부하에 더 접근하는 것을 의미한다.
도 1은 종래의 조명 시스템(10)이고, 브리지 정류기(12), 역률 보정기(power factor corrector)(14), LED 구동 회로(16), 및 LED(18)를 포함한다. 역률 보정기(14)는 승압 회로(booster)일 수 있고, LED 구동 회로(16)는 강압 회로(buck converter)일 수 있다. 그러나, 승압 회로 또는 강압 회로와 같은 스위칭 전력 변환 장치인 경우, 체적이 방대하고 고가인 인덕터 소자를 사용해야 할 뿐만 아니라, 전체 시스템 구조도 매우 많은 전자부품을 사용해야 한다. 따라서, 스위칭 전력 변환장치를 사용한 조명 시스템은 생산 비용이 비싸므로 시장 경쟁력이 없는 편이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
실시예는 발광소자를 구동시키는 드라이버로서, 정류 회로 및 전류 구동 회로를 포함하는 드라이버를 개시했다. 정류 회로는 교류 입력 전원에 연결되어 직류 전원을 생성하며, 직류 전원선과 접지선 사이에 걸쳐 있는 정류 다이오드를 포함한다. 전류 구동 회로는 정전류원을 포함한다. 상기 정전류원과 상기 발광소자는 직류 전원선과 접지선 사이에서 직렬 연결된다. 상기 정전류원은 상기 발광소자를 구동시키는 정전류를 제공할 수 있다. 정류 다이오드와 정전류원은 단일 반도체 칩 상에 공통으로 형성된다.
도 1은 종래의 조명 시스템이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 드라이버를 나타낸다.
도 3은 3개의 전압 파형을 나타낸다.
도 4a는 반도체 칩 상의 금속층의 패턴을 나타낸다.
도 4b는 도 4a의 반도체 칩을 패키징 한 후의 집적회로 개략도를 나타낸다.
도 5는 도 4a의 ST-ST 선에 따른 HEMT(T1)의 단면도를 나타낸다.
도 6은 도 4a의 SD-SD선에 따른 다이오드(DVF3)의 단면도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 LED 드라이버를 나타낸다.
도 9a는 다른 반도체 칩 상의 금속층의 패턴을 나타낸다.
도 9b는 도 9a의 반도체 칩을 패키징 한 후의 집적회로 개략도를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 조명 시스템을 나타낸다.
도 11은 LED와 별도의 전압 안정화 커패시터가 서로 병렬 연결된 회로도를 나타낸다.
도 12는 다른 반도체 칩 상의 금속층의 패턴을 나타낸다.
도 13은 도 4a의 다이오드(DVF3)의 SD-SD선에 따른 다른 실시예의 칩 단면도를 나타낸다.
도 14는 도 13의 다이오드를 제조할 수 있는 흐름도를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)와 HEMT에서 IDS 대 VDS의 관계를 나타낸다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 LED 드라이버를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 칩 상의 금속층의 패턴을 나타낸다.
도 18은 도 17의 반도체 칩을 패키징 한 후의 집적회로를 나타낸다.
도 19는 도 18의 집적회로를 사용하여 구현한 조명 시스템을 나타낸다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 드라이버의 회로 설계를 나타낸다.
도 21은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 복수 개의 LED를 구비한 LED 드라이버를 나타낸다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 칩의 단면도를 나타낸다.
도 23은 본 발명의 다른 일 실시예의 LED 드라이버를 나타낸다.
도 24는 브리지 정류기를 나타낸다.
도 25는 도 24의 브리지 정류기를 구현할 수 있는 반도체 칩을 예시한 것이다.
도 26a, 도 26b 및 도 26c는 CSV1-CSV1선, CSV2-CSV2선 및 CSV3-CSV3선에 따른 반도체 칩(808)의 단면도를 나타낸다.
도 27은 다른 브리지 정류기를 나타낸다.
도 28은 도 27의 브리지 정류기를 구현할 수 있는 반도체 칩을 예시한 것이다.
도 29a는 반도체 칩 상의 증식형 HEMT(ME)와 공핍형 HEMT(MD)를 나타낸다.
도 29b는 도 29a의 HEMT(ME)와 HEMT(MD) 사이의 전기적 연결을 나타낸다.
도 30은 도 29a의 CSV4-CSV4선에 따른 칩 단면도를 나타낸다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 드라이버를 나타낸다.
도 32는 도 31의 교류 입력 전원(VAC-IN)의 전압 파형 및 브리지 정류기(844)를 흐르는 정류 파형을 나타낸다.
도 33은 양의 온도계수의 서미스터를 갖는 LED 드라이버를 나타낸다.
도 34는 음의 온도계수의 서미스터를 갖는 LED 드라이버를 나타낸다.
도 35는 서미스터를 갖는 다른 LED 드라이버를 나타낸다.
본 명세서에서, 동일한 부호의 경우 별도로 설명된 것을 제외하고 일반적으로 동일하거나 유사한 구조, 기능, 원리를 갖는 소자를 나타내고, 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서의 교시에 근거하여 추정할 수 있다. 명세서의 간결함을 위하여, 동일한 부호의 소자에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에서, 전체적인 LED 조명 시스템은 간단한 회로설계를 가지며, 메인 소자는 단일 반도체 칩(chip)이 패키징 되어 있는 집적회로, 두 개의 커패시터 및 광원으로서의 LED만 구비된다. 실시예에서의 LED 조명 시스템은 별도의 인덕터 소자를 연결하지 않아도 된다. 따라서, LED 조명 시스템의 회로 원가는 매우 낮다. 또한, 실시예의 LED 조명 시스템은 매우 우수한 역률도 제공하므로, 대다수의 규제 요구에 부합할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, LED(18)를 구동시키는 LED 드라이버(60)를 나타낸다. LED(18)는 고압 LED일 수 있고, 수많은 마이크로 LED(micro LED)가 직렬 연결되어 구성된다. 예컨대, 일 실시예에서, 각 마이크로 LED의 순방향 전압은 약 3.4볼트이고, LED(18)는 10여 개의 마이크로 LED가 직렬 연결되어 구성되고, 등가 순방향 전압(forward voltage)은 약 50V이다.
LED 드라이버(60)는 대략 3단이 있다. 교류 입력 전원(VAC-IN)에 연결되는 제1 단은 브리지 정류기(62)이다. 제2 단은 전체 LED 드라이버(60)의 역률을 개선할 수 있는 역률 보정기로서의 밸리필 회로(valley-fill circuit)(64)다. 제3 단은 전류 구동 회로(66)로서의 두 개의 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터(high electron mobility transistor；HEMT)(T1 및 T2)가 있다. HEMT(T1 및 T2)는 각자 정전류원으로 사용되거나 병렬 연결되어 더 큰 전류값을 제공할 수 있는 정전류원으로 사용될 수 있다. HEMT(T1)을 예로 들면, 드레인-소스 전압(drain-to-source voltage, VDS)이 충분히 큰 경우, 드레인-소스 전류(drain-to-source current, IDS), 즉 드레인으로부터 소스로 흐르는 전류는 대략 상수로서, VDS에 따라 거의 변하지 않으므로, HEMT(T1)은 대체로 정전류를 제공하여 LED(18)를 구동시킨다.
브리지 정류기(62)는 4개의 정류 다이오드(DB1 내지 DB4)를 포함한다. 이하에서는 상기 4개의 정류 다이오드는 모두 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky Barrier Diode; SBD)일 수 있음을 설명한다. 브리지 정류기(62)는 교류 입력 전원(VAC-IN)을 정류시켜, 직류 전원(VDC-IN)을 생성하고, 직류 전원선(VDD)과 접지선(GND) 사이에 걸쳐 있다. 예컨대, 교류 입력 전원(VAC-IN)은 일반 상용전원이 제공한 110VAC 또는 220VAC일 수 있다.
밸리필 회로(64)는 직류 전원선(VDD)과 접지선(GND) 사이에 전기적으로 연결되고, 3개의 다이오드(DVF1-DVF3)와 커패시터(C1, C2)를 포함한다. 다이오드(DVF1-DVF3)는 직류 전원선(VDD)과 접지선(GND) 사이에 역방향으로 직렬 연결된다. 본 실시예에서, 커패시터(C1 및 C2)의 용량 값은 거의 동일하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 이론적으로, 커패시터(C1 및 C2)의 커패시터 전압(VC1 및 VC2)은 약 직류 전원(VDC-IN)의 전압 피크값(VPEAK)의 절반(0.5*VPEAK)까지 충전될 수 있다. 교류 입력 전원(VAC-IN)의 전압 절대 값이 0.5*VPEAK 미만일 경우, 커패시터(C1 및 C2)는 직류 전원선(VDD)과 접지선(GND)에 대해 방전할 수 있다. 커패시터(C1 및 C2)가 충분히 크기만 하면, 밸리필 회로(64)는 직류 전원(VDC-IN)의 최소 값 전압이 0.5VPEAK와 거의 같게 함으로써, 충분한 전압을 제공하여 LED(18)가 연속 발광할 수 있도록 한다.
HEMT(T1 및 T2)는 모두 공핍형(depletion mode) 트랜지스터로서, 이들의 임계전압(threshold voltage，VTH)은 모두 음의 값임을 의미한다. 각각의 HEMT는 모두 게이트(gate) 및 두 채널을 구비하고, 이 두 채널을 일반적으로 소스(source) 및 드레인(drain)라고도 한다. 각각의 HEMT(T1 및 T2)의 게이트(gate) 및 소스(source)는 서로 단락되어 있다. HEMT(T1)을 예로 들면, 드레인-소스 전압(drain-to-source voltage，VDS)이 충분히 큰 경우, 드레인-소스 전류(drain-to-source current，IDS), 즉 드레인으로부터 소스로 흐르는 전류는 대략 상수로서, 거의 VDS와 무관하다. 따라서, HEMT(T1)든지 HEMT(T2)든지, 모두 대략 정전류원이 될 수 있고, 안정된 정전류를 제공하여 LED(18)를 구동시킴으로써, LED(18)의 발광강도를 일정하게 유지시키므로, 깜박임(flicker)이 발생하지 않는다. 도 2에서, HEMT(T1)은 LED(18)를 구동시키고, 양자는 함께 부하(load)로서 직류 전원선(VDD)과 접지선(GND) 사이에 직렬 연결된다. 도 2는 점선(67)으로 HEMT(T2)와 LED(18)를 연결했는데, 이는 HEMT(T2)가 선택적으로 HEMT(T1)와 공동으로 LED(18)를 구동시킬 수 있음을 보여주고, 상세한 설명은 후술한다.
도 3은 교류 입력 전원(VAC -IN)의 전압 파형(72), 밸리필 회로(64)가 없는 경우의 직류 전원(VDC -IN)의 전압 파형(74), 및 밸리필 회로(64)가 있는 경우의 직류 전원(VDC-IN)의 전압 파형(76)을 나타낸다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 교류 입력 전원(VAC -IN)은 220VAC이고, 정현파이다. 전압 파형(74)은 밸리필 회로(64)가 없는 경우의 가상 결과를 나타낸다. 밸리필 회로(64)가 없는 경우, 브리지 정류기(62)는 간단한 전파 정류를 제공하므로, 전압 파형(74)에 나타낸 바와 같이, 전압 파형(72) 중 전압 값이 음인 부분을 양으로 전환시킨다. 전압 파형(76)에 나타난 바와 같이, 밸리필 회로(64)는 전압 파형(74) 중의 파곡(波谷)을 채우거나, 전압 파형(74) 중의 파곡이 더 이상 깊어지지 않도록 한다. 설명의 편의를 위하여, 이하에서는 가끔 전압 파형(74)을 사용하여 이벤트 발생의 타이밍을 설명한다. 예컨대, 전압 파형(74)이 파봉(波峰)에 도달하면 전압 파형(72)[교류 입력 전원(VAC -IN)]이 파봉 또는 파곡에 도달했음을 의미한다.
시간 구간(TP1)은 전압 파형(74)이 전압 파형(76)보다 크거나 같을 때부터 시작하여, 전압 파형(74)이 시간에 따라 피크 값(VPEAK)까지 상승하면 종료된다. 시간 구간(TP1)에서, LED(18)를 발광시키는 전기 에너지는 교류 입력 전원(VAC-IN)으로부터 직접 공급되므로, 전압 파형(76)은 전압 파형(74)과 동일하다. 이때, 직류 전원(VDC-IN)의 전압이 커패시터 전압(VC1)과 커패시터 전압(VC2)의 합보다 크기만 하면, 커패시터(C1 및 C2)는 교류 입력 전원(VAC-IN)에 의해 충전된다. 전압 파형(74)이 피크 값(VPEAK)에 도달하면, 커패시터 전압(VC1 및 VC2)은 대략 모두 0.5VPEAK이다.
시간 구간(TP2)은 전압 파형(74)이 피크 값(VPEAK)에 도달한 때부터 시작하여, 전압 파형(74)이 피크 값 절반(1/2VPEAK)까지 감소된 때까지이다. 시간 구간(TP2)에서, 전압 파형(74)은 시간에 따라 하강하기 시작하고, LED(18)를 발광시키는 전기 에너지는 교류 입력 전원(VAC-IN)으로부터 직접 공급되므로, 전압 파형(76)은 전압 파형(74)과 동일하다. 커패시터(C1 및 C2)가 충전/방전하지 않았으므로 커패시터 전압(VC1) 및 커패시터 전압(VC2)은 모두 0.5VPEAK을 유지한다.
시간 구간(TP3)은 전압 파형(74)이 0.5VPEAK 미만일 때부터 시작하여, 대략 전압 파형(74)의 파곡이 나타나는 시간까지다. 시간 구간(TP3) 내에서, 커패시터(C1)는 다이오드(DVF3)를 통해 방전하여, HEMT(T1)과 LED(18)에 전력을 공급한다. 유사하게, 커패시터(C2)는 다이오드(DVF1)를 통해 방전하고, 마찬가지로 HEMT(T1)과 LED(18)에 전력을 공급한다. 커패시터 전압(VC1) 및 커패시터 전압(VC2)은 시간에 따라 낮아지고, 낮아지는 속도는 커패시터(C1) 및 커패시터(C2)의 용량 값에 의해 결정된다. 시간 구간(TP3)은 전압 파형(74)이 파곡으로부터 반등된 후 커패시터 전압(VC1 또는 VC2)보다 높을 때에 종료된다. 이후 다른 시간 구간(TP1)으로 이어진다. 도 3의 전압 파형(76)에 도시한 바와 같이, 커패시터(C1 및 C2)이 충분히 크면, 직류 전원(VDC-IN)은 충분한 전압을 제공하여 LED(18)가 연속 발광할 수 있게 한다.
커패시터(C1 및 C2)가 충분히 크기만 하면, 밸리필 회로(64)에 의해 도달하는 역률은 대다수 국가의 역률 요구에 부합할 수 있다.
일 실시예에서, 도 2의 정류 다이오드(DB1-DB4), 다이오드(DVF1-DVF3), 및 HEMT(T1 및 T2)는 모두 단일 반도체 칩 상에 공통으로 형성된다. 도 4a는 반도체 칩(80) 상의 금속층(104)의 패턴을 나타내고, 도 2의 다이오드 및 HEMT의 반도체 칩(80) 상에서의 상대적 위치를 나타냈다. 반도체 칩(80)은 질화갈륨을 도통 채널 재료(GaN-based)로 하는 단일 초고주파 집적회로(Monolithic microwave integrated circuit)일 수 있다. 도 4a에서, 각각의 다이오드의 소자구조는 거의 유사하고, 모두 쇼트키 다이오드이고, HEMT (T1 및 T2)의 소자 구조도 비슷하다. 도 5는 도 4a의 HEMT(T1)의 ST-ST선에 따른 칩 단면도를 나타냈고, 도 6은 도 4a의 다이오드(DVF3)의 SD-SD선에 따른 칩 단면도를 나타냈다. 도면에서 기타 다이오드와 HEMT의 소자구조는 추정하여 알 수 있다.
도 5의 예에서, 실리콘 베이스(92) 상의 완충층(94)은 탄소가 도핑(C-doped)된 진성(intrinsic) GaN일 수 있다. 채널층(96)은 진성(intrinsic) GaN일 수 있고, 그 위에는 하이 밴드갭(high-bandgap)층(98)이 형성되어 있고, 그 재료는 진성 AlGaN일 수 있다. 커버층(100)은 진성 GaN일 수 있다. 커버층(100), 하이 밴드갭층(98) 및 채널층(96)은 모두 패턴화되어 메사 영역(95)(mesa)이 된다. 2차원-전자가스(2D-electron gas)는 채널층(96) 내부의 하이 밴드갭층(98)과 인접한 양자 우물(quantum well)에 형성되어, 도통 채널로 작용할 수 있다. 패턴화(patterned)된 금속층(102)의 재료는 티타늄, 알루미늄 또는 이 두 가지 재료의 적층일 수 있다. 도 5에서, 금속층(102)은 메사 영역(95)의 상부에 메사 영역(95)과 두 개의 옴 접촉(ohmic contact)을 형성하는 두 개의 금속 스트립(metal strips)(102a, 102b)을 각각 형성하여, 금속 스트립(102a, 102b)이 각각 HEMT(T1)의 소스 및 드레인으로 작용하도록 한다. 금속층(104)의 재료는 티타늄, 금 또는 이 두 재료의 적층일 수 있다. 예컨대, 아래에서 위로, 금속층(104)은 니켈층(Ni), 구리층(Cu) 및 백금층(Pt)이 있고, 백금층은 이후 형성되는 보호층(105)과의 접착성(adhesion)을 높일 수 있어, 본딩 패드 제조 공정 시 박리가 생기는 문제를 방지한다. 기타 실시예에서, 금속층(104)은 니켈층(Ni), 금층(Au) 및 백금층(Pt)의 적층이거나, 또는 니켈층(Ni), 금층(Au) 및 티타늄층(Ti)의 적층일 수도 있다. 도 5에서, 패턴화된 금속층(104)은 금속 스트립(104a, 104b 및 104c)을 형성한다. 금속 스트립(104b)은 메사 영역(95)의 중앙 상단에 접촉하여 쇼트키 접촉(schottky contact)을 형성함으로써 HEMT(T1)의 게이트가 된다. 도 5의 104a 및 104c는 각각 102a, 102b에 접촉하여, HEMT(T1)의 소스 및 드레인에서 기타 전자소자로의 전기적 연결을 제공한다. 도 5 및 도 4a를 동시에 참고하면, HEMT(T1)의 게이트[금속 스트립(104b)]는 금속층(104)을 통해 금속 스트립(104a)에 단락되고, HEMT(T1)의 소스에도 단락된다. 도 5의 우측 부분은 HEMT(T1)의 등가 회로도를 나타냈다. 금속층(104) 위에는 보호층(105)이 있고, 그 재료는 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxinitride, SiON)일 수 있다. 보호층(105)은 패턴화되어, 패키징 시 필요한 본딩 패드(bonding pad)를 형성한다. 예컨대, 도 5에서, 좌측 반쪽 보호층(105)에 의해 커버되지 않은 부분은 저전압 핀(VSS)(잠시 뒤 설명)의 본딩 와이어(bonding wire)에 용접될 수 있고, 우측 반쪽 보호층(105)에 의해 커버되지 않은 부분은 구동 핀(D1)(잠시 뒤 설명)의 본딩 와이어에 용접될 수 있다.
간결함을 위하여, 도 6 및 도 5의 동일하거나 유사한 부분은 설명을 생략한다. 도 6에서, 금속층(102)은 메사 영역(95)의 상단에 두 개의 금속 스트립(102c, 102d)을 형성하고, 패턴화된 금속층(104)은 금속 스트립(104d, 104e 및 104f)을 형성한다. 도 5와 유사하게, 금속 스트립(104e)은 HEMT의 게이트로 작용할 수 있다. 비록 금속 스트립(102d)은 HEMT의 소스로 작용할 수 있으나, 금속 스트립(102d)에는 금속층(104)이 접촉되지 않는다. 다른 일 실시예에서 금속 스트립(102d)은 생략되어 형성되지 않을 수 있다. 금속 스트립(104f)은 메사 영역(95)의 부분 상단 표면 및 측벽에 접촉하여 다른 하나의 쇼트키 접촉을 형성하여 쇼트키 다이오드로서 작용할 수 있고, 그 음극은 등가적으로 도 6의 HEMT의 소스에 단락된다. 도 6 및 도 4a를 동시에 참고하기 바란다. 금속 스트립(104e)은 금속층(104)을 통해 금속 스트립(104f)에 단락되고, 쇼트키 다이오드의 양극이다. 도 6의 우측 부분은 좌측 절반의 등가 회로 연결도를 나타내며, 회로 작동에서 하나의 다이오드와 같다. 도 6의 우측 부분은 동시에 특별한 다이오드 부호(120)를 나타내어 도 6의 등가회로를 나타낸다. 다이오드 부호(120)도 도 2에 사용되어 정류 다이오드(DB1-DB4) 및 다이오드(DVF3-DVF3)를 나타내고, 모두 HEMT 및 쇼트키 다이오드에 의해 복합 구성된 다이오드이다.
도 4b는 반도체 칩(80)을 패키징 한 후의 집적회로(130)를 나타내고, 8개의 핀(pin)만 있고, 각각 고압 핀(VCC), 보정 핀(PF1 및 PF2), 저압 핀(VSS), 교류 입력 핀(AC+ 및 AC-), 구동 핀(D1 및 D2)이다. 도 4a를 참고하면, 각각의 핀이 본딩 와이어(bonding wire)를 통해 금속층(104)이 패턴화된 후 형성된 금속 스트립에 전기적으로 단락되는 것도 나타냈고, 이러한 금속 스트립 또한 반도체 칩(80) 중 전자소자에 대응하는 입력 또는 출력 단자의 상호 연결을 제공했다. 예컨대, 구동 핀(D1)은 HEMT(T1)의 드레인에 전기적으로 연결되고, 보정 핀(PF1)은 다이오드(DVF3)의 음극에 전기적으로 연결된다.
도 7은 본 발명에 따라 실시한 조명 시스템(200)을 나타낸다. 집적회로(130)는 인쇄 회로판(202)에 고정된다. 인쇄 회로판(202) 상의 금속선을 통해, 커패시터(C1)는 고압 핀(VCC)과 보정 핀(PF1) 사이에 전기적으로 연결되고, 커패시터(C2)는 저압 핀(VSS)과 보정 핀(PF2) 사이에 전기적으로 연결되고, LED(18)는 고압 핀(VCC)과 구동 핀(D1) 사이에 전기적으로 연결되고, 교류 입력 핀(AC+ 및 AC-)은 교류 입력 전원(VAC-IN)에 전기적으로 연결된다. 전술한 설명을 통해 이해할 수 있듯이, 도 7의 조명 시스템(200)은 매우 간단하고, 4개의 전자부품[두 개의 커패시터(C1 및 C2), 집적회로(130) 및 LED(18)]만을 이용하여, 도 2의 LED 드라이버(60)를 구현했다. 비싸고 부피가 방대한 인덕터 소자가 없어, 조명 시스템(200)의 원가가 낮아지고, 전체 제품의 부피도 줄일 수 있다.
도 7에서, 집적회로(130)의 구동 핀(D2)[HEMT(T2)의 드레인에 전기적으로 연결됨]은, 교류 입력 전원(VAC-IN)의 교류 전압이 상이함에 따라, LED(18)에 연결할지 여부를 결정할 수 있다. 다시 말하면, 집적회로(130)는 하나의 HEMT(T1)만을 선택적으로 이용할 수 있거나, 두 개의 HEMT(T1 및 T2)을 병렬 연결하여 LED(18)가 발광하도록 구동시킬 수 있다. 예컨대, 집적회로(130) 중의 HEMT(T1 및 T2) 소자는 크기가 모두 같고, 각각 대략 같은 1u 단위 정전류를 제공할 수 있다. 도 7의 조명 시스템(200)을 110VAC인 교류 입력 전원(VAC-IN)에 적용할 경우, 순방향 전압(forward vltage)이 50V인 LED를 LED(18)로 선택하여 사용할 수 있고, 구동 핀(D1 및 D2)을 LED(18)에 연결하면, 이때 LED(18)가 소모하는 전력은 약 2u*50(=100u)이다. 도 7의 조명 시스템(200)을 220VAC인 교류 입력 전원(VAC-IN)에 적용할 경우, 순방향 전압이 100V인 LED를 LED(18)로 선택하여 사용할 수 있고, 구동 핀(D1)만 LED(18)에 연결하고, 구동 핀(D2)의 플로팅 무접속을 유지하면, 이 때 LED(18)가 소모하는 전력은 약 1u*100(=100u)이다. 이렇게 하면, 교류 입력 전원(VAC-IN)의 교류 전압이 같지 않더라도, 순방향 전압이 다른 LED를 선택하여 사용하기만 하면, LED(18)가 소모하는 전력은 거의 동일(모두 약 100u)할 수 있고, 그렇다면 조명 시스템(200)에 의한 조명 밝기도 거의 동일해진다. 다시 말하면, 집적회로(130)는 220VAC인 교류 입력 전원에만 적용되는 것이 아니라, 110VAC인 교류 입력 전원에도 적용될 수 있다. 이는 조명 시스템(200) 제조업체에게 있어, 매우 편리하여, 조명 시스템(200)의 부품 재고관리 비용을 절약할 수 있다.
도 2에서, 전류 구동 회로(66)는 LED(18)와 접지선(GND) 사이에 연결되나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, LED(18)를 구동시키는 LED 드라이버(300)를 나타냈다. 도 8에서, 전류 구동 회로(302)는 HEMT(T3 및 T4)를 구비하고, HEMT(T3 및 T4)의 드레인은 모두 직류 전원선(VDD)에 연결되고, LED(18)는 접지선(GND)과 전류 구동 회로(302) 사이에 전기적으로 연결된다. 도 9a는 반도체 칩(310) 상의 금속층(140)의 패턴을 나타내고, 도 8의 다이오드와 HEMT의 상대적 위치를 나타냈다. 도 5는 도 9a의 HEMT(T3)의 ST-ST선에 따른 칩 단면도를 나타낸 것일 수도 있고, 도 6은 도 9a의 다이오드(DVF3)의 SD-SD선에 따른 칩 단면도를 나타낸 것일 수 도 있다. 도 9b는 반도체 칩(310)을 패키징 한 후의 집적회로(320)를 나타내고, 8개의 핀(pin)만 있고, 각각 고압 핀(VCC), 보정 핀(PF1 및 PF2), 저압 핀(VSS), 교류 입력 핀(AC+ 및 AC-), 구동 핀(S1 및 S2)이다. 도 10은 본 발명에 따라 실시한 다른 하나의 조명 시스템(330)을 나타내고, 도 8의 LED 드라이버(300)를 구현했다. 도 8, 도 9a, 도 9b 및 도 10에 관해서는 전술한 도 2, 도 4a, 도 4b 및 도 7 및 관련 설명을 참고하면, 원리, 조작, 및 장점을 알 수 있으므로 간결함을 위해 설명을 생략한다.
도 11의 실시예에서 보여준 바와 같이, 별도의 전압 안정화 커패시터(19)는 LED(18)와 병렬 연결될 수 있다. 전압 안정화 커패시터(19)는 LED(18)의 전압(VLED)의 변화를 줄일 수 있고, 더 나아가 LED(18)가 교류 입력 전원(VAC-IN)의 사이클 시간 내의 듀티 사이클(duty cycle) 또는 발광 시간을 증가시키고, LED(18)의 깜박임 가능성을 감소시킨다.
도 4a의 패턴은 하나의 예일 뿐, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 12는 다른 하나의 반도체 칩 상의 금속층(104)의 패턴을 나타낸다. 도 12는 도 4a와 대략 유사하고, 간결함을 위하여, 서로 동일하거나 유사한 부분은 설명을 생략한다. 도 4a에서, 각각의 다이오드 중간 위치에 있는 게이트는, 모두 하나의 패턴화된 금속층(104)의 상부 아암(ARM1)을 통해서만이 그 양극[예를 들면 도 6의 금속 스트립(104f)]에 연결되고, 각각의 HEMT 중간 위치에 위치한 게이트도 모두 하나의 패턴화된 금속층(104)의 상부 아암(ARM2)을 통해 그 소스[예를 들면 도 5의 금속 스트립(104a)]에 연결된다. 그러나, 도 12에서, 예시된 게이트 영역(GG)과 같이, 각각의 다이오드 중간 위치의 게이트는 패턴화된 금속층(104)의 상하 두 아암(ART 및 ARB)을 통해 그 양극에 연결되고, 각각의 HEMT 중간 위치에 위치한 게이트도 모두 패턴화된 금속층(104)의 상하 두 아암을 통해 그 소스에 연결된다. 도 4a의 설계와 비교하면, 도 12의 다이오드의 상하 두 아암 구조는 제조에 있어 비교적 대칭되고, 현상, 노광, 에피택시(Epitaxy), 식각 등 공정 과정에서 상하 두 아암 사이의 구조에 의해 공간이 쉽게 압축되지 않고, (상하 두 아암의) 폭은 비교적 일치하고, 구조는 쉽게 파손되거나 변형되지 않으나, 도 4a의 구조는 싱글 아암만 있으므로, 제조 시, 다른 부분을 제조할 때 전체 아암의 폭이 일치하지 않은 상황이 쉽게 발생하고, 이러한 상황은 큰 전류 또는 큰 전압의 집결로 인해 전자사태를 일으킨다. 따라서 도 12의 상하 아암의 구조는 전체 구조의 폭이 비교적 일치하고, 쉽게 다른 구조의 영향을 받아 변형하지도 않으므로, 도 12의 구조가 높은 항복 전압 저항력을 갖도록 한다.
도 5 및 도 6의 단면도도 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 예컨대, 도 13은 도 4a의 다이오드(DVF3)의 SD-SD선에 따른 다른 일 실시예의 칩 단면도이다. 도 13 및 도 16의 경우, 간결함을 위해, 서로 동일하거나 유사한 부분은 설명을 생략한다. 도 6과의 차이점은, 도 13의 금속 스트립(104e)과 커버층(100) 사이에 절연층(103)이 개재되고, 그 재료는 예를 들면 산화규소이다. 절연층(103)의 존재도 다이오드의 항복 전압 저항력을 향상시킬 수 있다.
도 14는 도 13의 다이오드를 제조하는 흐름도를 나타낸다. 단계(140)에서는 메사 영역을 우선 형성한다. 예컨대, 먼저 완충층(94) 상에 각각 채널층(96), 하이 밴드갭(98) 및 커버층(100)을 형성한다. 다음 유도결합 플라즈마 식각(Inductive Coupled Plasma Etching) 등 방법으로 상기 3개의 층을 패턴화하여 메사 영역(95)을 완성한다. 단계(142)에서는 옴 접촉을 형성한다. 예컨대, 각각 티타늄/알루미늄/티타늄/금을 증착하여 금속층(102)으로 한 다음, 금속층(102)을 패턴화하여, 금속 스트립(102a, 102b) 등을 형성한다. 단계(144)에서는 절연층(103)을 형성한다. 예컨대, 먼저 이산화규소층을 증착시킨 다음, 이를 패턴화하면 나머지 이산화규소층은 절연층(103)이 된다. 단계(146)에서는 쇼트키 접촉을 형성하고 패턴화를 한다. 예컨대, 단계(146)에서는 먼저 니켈/금/백금을 순차적으로 증착시켜 금속층(104)을 형성한 후, 금속층(104)을 패턴화하여 금속 스트립(104a, 104b, 104c) 등을 형성한다. 금속층(104)과 금속층(102) 사이는 옴 접촉이지만, 금속층(104)과 메사 영역(95) 사이는 쇼트키 접촉이다. 단계(148)에서는 보호층(105)을 형성하고, 패턴화하여, 본딩 패드 개공(開孔)을 형성한다. 당연히, 도 14의 흐름도는 도 12의 HEMT의 제조에도 적용된다. 적절한 조절을 통해, 도 14의 흐름도는, 도 4a의 다이오드 및 HEMT의 제조에 적용될 수도 있고, 예컨대 단계(144)를 생략하거나, 다른 공정을 추가할 수 있다.
도 2 및 도 5의 HEMT(T1 및 T2)는 정전류원으로 볼 수 있으나, 하나의 완전한 이상적인 전류원이 아닐 수 있다. HEMT(T1 및 T2)의 드레인-소스 전류(IDS)가 포화 영역에 있을 경우, 여전히 드레인-소스 전압(VDS)과 조금 관련이 있을 수 있다. 도 15는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 및 HEMT에서의 IDS 대 VDS의 관계를 나타냈다. 곡선(150 및 152)은 각각 실리콘을 기재(基材)로 하는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 및 HEMT를 대상으로 한 것이다. 곡선(150)을 통해 발견할 수 있듯이, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터에서, IDS와 VDS는 대략 모두 양의 상관관계이다. 즉 VDS가 클수록, IDS가 크다. 그러나 HEMT는 상이하다. 곡선(152)을 통해 발견할 수 있듯이, HEMT에서, VDS가 특정 값을 초과하면, IDS와의 관계는 양의 상관관계에서 음의 상관관계로 변한다. 이러한 특정 값은 제조 공정에서의 매개변수를 통해 설정할 수 있다. 이러한 HEMT의 특성은 특별한 장점이 있는데, VDS가 상용전압이 불안정함으로 인해 갑자기 대폭 상승할 경우, IDS는 오히려 낮아져, HEMT에서 소모되는 전력을 감소시킬 수 있으므로, HEMT가 파손되는 것을 방지한다.
상술한 여러 실시예에서, LED 드라이버는 밸리필 회로가 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 16은 직렬 연결된 복수 개의 LED 세그먼트(5201, 5202, 5203)을 포함하는 LED(518)를 구동시키는 다른 하나의 LED 드라이버(500)를 나타낸다. LED 드라이버(500) 중에는 밸리필 회로가 없다. LED 드라이버(500) 중의 브리지 정류기(502)와 정류 구동 회로(504)는 반도체 칩 상에 모두 통합되어, 집적회로로 패키징될 수 있다. 도 17은 반도체 칩(550) 상의 금속층(104)의 패턴을 나타내고, 도 16의 다이오드와 HEMT의 반도체 칩(550) 상에서의 상대적 위치를 나타냈다. 반도체 칩(550)은 LED 드라이버(500)의 브리지 정류기(502)와 정류 구동 회로(504)를 통합했다. 도 18은 반도체 칩(550)을 패키징한 후의 집적회로(552)를 나타낸다. 도 19는 도 18의 집적회로(552)를 사용하여 LED 드라이버(500)를 구현한 조명 시스템(560)을 나타낸다. 도 16 내지 도 19는 상기 교시를 통해 이해할 수 있으므로 자세한 설명을 생략한다. 도 19를 통해 발견할 수 있듯이, 전체 조명 시스템(560)은 매우 소량의 전자부품[커패시터(CF), 집적회로(552) 및 LED(518)]를 사용했다. 조명 시스템(560)의 원가가 낮아지고, 전체 제품도 더 간소화된다.
도 16 및 도 19는 집적회로(552)의 응용을 한정하기 위한 것은 아니다. 도 20은 LED 드라이버(600)를 예시한 것으로, 브리지 정류기(502) 및 정류 구동 회로(504)를 포함하는 집적회로의 다른 하나의 응용을 설명할 수 있다. 도 20에서, 정류 구동 회로(504) 중의 HMET(T1 및 T2)는 복수개의 LED 세그먼트(5201, 5202, 5203)를 포함하는 LED(518)를 선택적으로 구동시킬 수 있다. LED 드라이버(600)는 직류 전원(VDC-IN)의 높고 낮음에 따라 단락 또는 개방될 수 있는 분단(分段) 회로(IC1 및 IC2)가 별도로 있다. 예컨대, 직류 전원(VDC-IN)이 LED 세그먼트(5203)의 순방향 전압보다 조금 높으면, 분단 회로(IC1 및 IC2)는 모두 단락 회로이므로, LED 세그먼트(5203)은 발광하고, LED 세그먼트(5201, 5202)는 발광하지 않고, 직류 전원(VDC-IN)이 LED 세그먼트(5202 및 5203)의 순방향 전압의 총 합까지 증가되면, 분단 회로(IC1)는 단락 회로이고, 분단 회로(IC2)는 개방 회로이므로, LED 세그먼트(5202 및 5203)는 발광하고, LED 세그먼트(5201)는 발광하지 않고, 직류 전원(VDC-IN)이 더 증가하여 LED 세그먼트(5201, 5202 및 5203)의 순방향 전압의 총 합을 초과하면, 분단 회로(IC1)도 따라서 개방 회로로 변하므로 LED 세그먼트(5201, 5202 및 5203)는 모두 발광한다. 따라서, LED 드라이버(600)의 전광 변환 효율을 더 향상시키고, 역률과 총 고조파 왜곡율(total harmonic distortion)은 모두 양호한 제어를 받을 수 있다.
본 발명에 따라 실시된 집적회로는 브리지 정류기와 전류 구동 회로를 통합한 것에만 한정되지 않는다. 상술한 집적회로(103 및 552)는 예를 들었을 뿐이다. 예컨대, 본 발명에 따라 실시된 집적회로는 브리지 정류기와 전류 구동 회로 외에도, 일부 다이오드 또는 HEMT가 더 통합되어, 도 20의 분단 회로(IC1 및 IC2)에 사용될 수 있다.
본 발명이 실시한 집적회로는 공핍형 HEMT에만 한정되는 것이 아니다. 일부 실시예에서, 집적회로는 증식형(enhancement-mode) HEMT를 포함하고, 도통 전류를 적절한 게이트 전압을 제공하는 것을 통하여 제어함으로써, 구동할 LED 세그먼트가 방출하는 빛의 세기를 변경할 수 있다. 예를 들면 도 20에서 분단 회로(IC1 및 IC2)를 이용하여 작동되는 LED 세그먼트(5201, 5202, 5203)를 조절함과 동시에, 증식형 HEMT의 게이트 전압을 조절하여 LED 세그먼트(5201, 5202, 5203)에 입력되는 HEMT의 전류를 조절하여, LED 세그먼트(5201, 5202, 5203)가 방출하는 빛의 세기를 변경할 수 있다.
비록 이전에 개시한 LED 드라이버이든 조명 시스템이든, 각각 모두 단일 LED(518)를 구동시키는 것이나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예에서는, 두 개 이상의 LED가 있을 수 있고, 상이한 전류로 각각 구동된다. 도 21은 LED 드라이버(700)를 예시했으며, 전류 구동 회로(504) 중의 HEMT(T1 및 T2)는 LED(18R 및 18B)를 각각 구동시킨다. 예컨대, HEMT(T1)이 제공한 구동 전류는 HEMT(T2)에서 제공되는 구동 전류보다 작고, LED(18R)는 대략 빨강 LED이고, LED(18B)는 대략 파랑 LED이다.
도 6 및 도 13의 다이오드는, 각각 단일 메사 영역(95)에 형성되나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 22는 다른 일 실시예의 다이오드의 칩 단면도를 나타낸다. 도 22의 도 6 및 도 13과 서로 동일하거나 유사한 부분은 간결함을 위해 설명을 생략한다. 도 22에는 두 개의 메사 영역(95 및 95a)가 있다. 금속 스트립(102e)은 메사 영역(95a)에서 옴 접촉을 형성하고, 금속 스트립(102d)은 메사 영역(95)에서 다른 옴 접촉을 형성한다. 금속 스트립(102d 및 102e)은 금속 스트립(104g)을 통해 서로 단락되어 전기적으로 연결된다. 금속 스트립(104f)은 다이오드의 양극으로 작용하고, 금속 스트립(104d)은 다이오드의 음극으로 작용한다. 도 22의 구조는 다이오드의 항복 전압 저항력을 향상시킬 수 있다.
상술한 전류 구동 회로(66, 302 및 504)는 모두 발광 다이오드(LED)를 구동시키기 위한 것이나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 23은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 LED 드라이버(800)를 나타냈고, 이는 도 16과 비슷하여, 서로 동일한 부분은 상술한 설명을 참고하면 이해할 수 있으므로, 간결함을 위해 설명을 생략한다. 도 16의 LED 드라이버(500)와의 차이점은, 도 23의 LED 드라이버(800)는 양방향 트라이액 조광기(TRIAC dimmer)(802)가 더 구비되고, 전류 구동 회로(804) 중의 HEMT(T1)는 직류 전원선(VDD)와 접지선(GND) 사이에 직접 연결되고, 어떠한 LED도 구동시키지 않는다. 양방향 트라이액 조광기가 오프(off)되어, 대략 개방회로를 나타낼 때, 일정 량의 유지 전류(holding current)가 있어야만, 오작동 발생을 방지할 수 있다. 도 23에서, HEMT(T1)은 양방향 트라이액 조광기(802)에 필요한 유지 전류를 제공할 수 있다. 설계에 있어서, HEMT(T2)는 상대적으로 큰 전류를 제공하여 LED(518)를 발광시킬 수 있고, HEMT(T1)은 상대적으로 작은 전류를 제공하여, LED(518)이 발광하지 않을 경우, 양방향 트라이액 조광기(802)에 필요한 유지 전류로 제공할 수 있다.
상술한 실시예의 다이오드는 모두 도 6의 다이오드 부호(120)로 표시되는 HEMT와 쇼트키 다이오드에 의해 복합 구성된 다이오드이다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 모든 실시예의 다이오드는, 전부 또는 일부가 다른 종류의 다이오드로 대체될 수 있다. 예컨대, 도 24는 4개의 쇼트키 다이오드(SBD1, SBD2, SBD3, SBD4)로 구성된 브리지 정류기(806)를 나타냈다.
도 25는 도 24의 브리지 정류기(86)를 구현할 수 있는 반도체 칩(808) 상의 금속층(104)과 메사 영역(95)의 패턴을 예시했다. 도 26a, 26b 및 26c는 반도체 칩(808)의 CSV1-CSV1, CSV2-CSV2 및 CSV3-CSV3선에 따른 칩 단면도를 나타냈다. 예컨대, 도 24의 쇼트키 다이오드(SBD1)는 교류 전원선(AC1) 및 접지선(GND) 사이에 연결된다. 도 25 및 도 26a에는 멀티 핑거 구조(multi-finger structure)의 HEMT를 나타냈다. HEMT의 게이트 단자는 쇼트키 다이오드(SBD1)의 양극으로 작용하고, HEMT의 채널 단자는 쇼트키 다이오드(SBD1)의 음극으로 작용한다. 등가적으로, 쇼트키 다이오드(SBD1)는 수많은 소형 쇼트키 다이오드가 병렬 연결되어 구성된다. 멀티 핑거 구조의 HEMT는 제한된 칩 면적에서, 비교적 큰 구동 전류를 제공할 수 있다.
상술한 실시예에서, 각각의 다이오드는, 도 27에 예시한 바와 같이, 여러 개의 다이오드를 직렬 연결하여 실시할 수도 있다. 도 27은 다른 하나의 브리지 정류기(810)를 나타냈다. 예컨대, 브리지 정류기(810)의 교류 전원선(AC1) 및 접지선(GND) 사이에는 두 개의 직렬 연결된 쇼트키 다이오드가 구비된다. 도 28은 도 27의 브리지 정류기(810)를 구현할 수 있는 반도체 칩(812) 상의 금속층(104) 및 메사 영역(95)의 패턴을 나타냈다. 도 26a, 도 26b 및 도 26c는 반도체 칩(812)의 CSV1-CSV1, CSV2-CSV2 및 CSV3-CSV3선에 따른 칩 단면도를 나타낼 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예의 반도체 칩은, 공핍형 HEMT 및 쇼트키 다이오드만 포함하는 것에 한정되지 않고, 증식형(enhancement mode, E-mode)의 HEMT를 포함할 수도 있다. 도 29a는 반도체 칩 상의 증식형 HEMT(ME) 및 공핍형 HEMT(MD)의 금속층(104) 및 메사 영역(95)의 패턴을 나타낸다. 도 29b는 도 29a의 HEMT(MD)와 HEMT(ME) 사이의 전기적 연결을 나타낸다. 도 30은 도 29a의 CSV4-CSV4 선에 따른 칩 단면도를 나타낸다. 도 30에 도시된 바와 같이, 좌측 절반은 증식형 HEMT(ME)이고, 게이트(GE)로서의 금속 스트립(104h)과 커버층(100) 사이에는 절연층(103)이 개재되어 있다. 커버층(100) 및 하이 밴드갭층(98)은 금속 스트립(104h) 하단 부분에 있고, 조절 영역(170)이 형성되어 있다. 예컨대, 조절 영역(170)은 불소이온을 커버층(100) 및 하이 밴드갭층(98)에 부분적으로 이식시켜 형성할 수 있다. 도 22의 좌측 절반의 공핍형 HEMT(MD)와 비교할 때, 도 30의 좌측 절반의 증가형 HEMT(ME)는 조절 영역(170) 및 절연층(103)이 더 있고, 양자는 모두 HEMT의 임계 전압값(Vt)(threshold voltage)을 조절하거나 증가시킬 수 있다.
도 29a, 도 29b 및 도 30에 도시된 바와 같이, 공핍형 HEMT(MD)의 게이트(GD)는 금속층(104)의 전기적 연결을 통해 증가형 HEMT(ME)의 단자(S)에 단락된다.
도 29b의 회로에서, HEMT(ME)가 오프(개방)되면, HEMT(ME)는 HEMT(MD)와 함께, 단자(D)와 단자(S) 사이에 걸리는 전압을 분산시키는 것을 분담할 수 있으므로, 매우 좋은 내전압 능력을 가질 수 있다. HEMT(ME)가 온(도통)되면, HEMT(MD)는 하나의 정전류원으로서, 단자(D)와 단자(S) 사이의 최대 전류량을 제한할 수 있다.
도 29a 및 도 29b의 증식형 HEMT는 반도체 칩 중의 액티브 스위치로 작용할 수도 있다. 도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 드라이버(840)의 회로 설계를 나타내고, 증식형 HEMT 및 공핍형 HEMT를 가진다. 일부 쇼트키 다이오드와 전기 저항을 외에도, LED 드라이버(840)는 전류 스위치(CC1, CC2, CC3) 및 공핍형 HEMT(T8)를 더 포함하고, 상호간의 전기적 연결은 도 31에 도시한 바와 같다. 반도체 칩 상에서, 전류 스위치(CC1, CC2, CC3)는 도 29a 및 도 30의 소자 구조로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 전류 스위치(CC1, CC2, CC3) 및 공핍형 HEMT(T8)가 온될 수 있는 최대 전류는 각각 전류값 I1, I2, I3 및 I4이고, I1<I2<I3<I4이다. 각각의 전류 스위치(CC1, CC2, CC3)는 모두 하나의 제어 단자(즉 하나의 증식형 HEMT의 게이트 단자임)가 있고, 서로 대응하는 전기 저항을 통해, 쇼트키 다이오드(852)에 공통으로 연결되고, 상기 제어 단자의 타단은 접지선(GND)에 연결된다.
도 32는 도 31의 교류 입력 전원(VAC-IN)의 전압 파형 및 브리지 정류기(844)를 흐르는 전류 파형을 나타낸다. 직류 전원선(VDD)과 접지선(GND) 사이에 걸리는 전압이 0V에서 점차 높아짐에 따라, 전류 스위치(CC1, CC2, CC3)는 모두 온된다. 이때, LED 세그먼트(5201)만 발광하고, LED 세그먼트(5202, 5203, 5204)는 모두 발광하지 않고, LED 세그먼트(5201)를 흐르는 구동 전류는 전류 스위치(CC1)에 의해 제한되고, 최대로 전류값 I1이다. 직류 전원선(VDD)과 접지선(GND) 사이에 걸리는 전압이 계속하여 높아짐에 따라, 전류 스위치(CC1)는 오프되어 LED 세그먼트(5202)가 추가 발광되고, 이때 LED 세그먼트(5201 및 5202)를 흐르는 구동 전류는 전류 스위치(CC2)에 의해 제한되고, 최대로 전류값 I2이다. 직류 전원선(VDD)과 접지선(GND) 사이에 걸리는 전압은 계속하여 상승하면, 전류 스위치(CC2)는 오프되고 LED 세그먼트(5203)이 추가 발광되고, 이때, LED 세그먼트(5201, 5202, 5203)를 흐르는 구동 전류는 전류 스위치(CC3)에 의해 제한되고, 최대로 전류값 I3이다. 직류 전원선(VDD)와 접지선(GND) 사이에 걸리는 전압이 일정한 정도를 초과하면, 전류 스위치(CC1, CC2, CC3)는 모두 오프되고, LED 세그먼트(5201, 5202, 5203, 5204)는 모두 발광한다. 이때, LED 세그먼트(5201, 5202, 5203, 5204)를 흐르는 구동 전류는 공핍형 HEMT(T8)에 의해 제한되고, 최대로 전류값 I4이다. 직류 전원선(VDD)와 접지선(GND) 사이에 걸리는 전압이 최고점으로부터 천천히 낮아지면, 전류 스위치(CC3, CC2, CC1)는 순차적으로 점차 온되어 도통된다. 도 32를 통해 발견할 수 있듯이, 도 31의 LED 드라이버(840)는 양호한 역률(power factor)을 가질 뿐만 아니라, 매우 낮은 총 고조파 왜곡율(total harmonic distortion, THD)을 가진다.
도 31에서, 각각의 스위치(CC3, CC2, CC1)에 대응하여, 모두 두 개의 역방향으로 직렬 연결된 쇼트키 다이오드가 있고, 각각의 전류 스위치의 제어 단자와 고압 단자 사이에 연결된다. 다른 일 실시예에서, 이러한 쇼트키 다이오드(도 31a에는 총 6개가 있음)는 생략될 수 있어, 원가를 낮춘다.
전기 저항(850)과 접지선(GND) 사이에 연결된 쇼트키 다이오드(852)는 전류 스위치(CC3, CC2, CC1)의 제어 단자의 최고 전압을 한정할 수 있다. 서지(surge)에 의한 고압이 직류 전원선(VDD)에 나타날 경우, 쇼트키 다이오드(852)는 증식형 HEMT가 높은 게이트 전압에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 31의 LED 드라이버(840)에서, 모든 쇼트키 다이오드 및 HEMT는 모두 질화 갈륨을 도통 채널 재료(GaN-based)로 하는 단일 초고주파 집적회로에 통합될 수 있다. 예컨대, 쇼트키 다이오드는 도 6 또는 도 26a의 소자 구조로 구현될 수 있고, 증식형 HEMT와 공핍형 HEMT는 각각 도 30의 좌측 절반과 우측 절반의 소자 구조를 이용하여 구현할 수 있다. 다시 말하면, LED 드라이버(840) 구현할 때, 하나의 단일 초고주파 집적회로, 일부 저항 소자, LED(848) 및 인쇄 회로기판(printed circuit board, PCB)만 필요할 수 있어, 원가가 매우 저렴하다.
환경 온도가 높아짐에 따라, 정전류로 구동되는 LED는, 발광 밝기가 약해질 수 있다. 고온으로 인해 밝기가 감소되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명의 일부 실시예에서는 양의 온도계수 또는 음의 온도계수의 서미스터(thermistor)를 이용하여 LED에 대한 구동 전류를 조절할 수 있다.
도 33은 양의 온도계수의 서미스터가 구비된 LED 드라이버(900)를 나타냈고, 서미스터(902)의 양단은 각각 전류 스위치(CC4) 내의 증식형 HEMT(ME1)의 게이트 단자와 채널 단자에 연결된다. 공핍형 HEMT(T5)는 정전류원으로서, 대체로 양의 온도계수 서미스터(902)를 흐르는 정전류를 제공하고, 증식형 HEMT(ME1)는 선형 영역에서 작동한다. 환경 온도가 높아지면, 서미스터(902)의 저항이 상승하므로, 전류 스위치(CC4)의 제어 게이트의 전압도 높아지고, LED(518)를 흐르는 전류를 증가시킨다. 따라서, LED(518)의 발광량이 온도 변화에 따라 거의 변하지 않도록 할 수 있다.
도 34는 음의 온도계수의 서미스터가 구비된 LED 드라이버(906)를 나타냈고, 공핍형 HEMT(T6)은 정전류원으로서 작용할 수 있고, 제공하는 정전류는 대체로 그 소스 전압에 의해 결정된다. 환경 온도가 증가하면, 서미스터(906)의 저항이 낮아지므로, 공핍형 HEMT(T6)의 소스 전압이 낮아지고, 공핍형 HEMT(T6)의 게이트 대 소스(gate to source)의 전압이 증가하므로, LED(518)를 흐르는 전류를 증가시킨다. 이와 같이, LED(518)의 발광량이 온도 변화에 따라 거의 변하지 않도록 할 수 있다.
본 발명에 따라 실시한 LED 드라이버는, 하나의 LED만 있거나, 하나의 서미스터만 있어야 되는 것에 한정되지 않는다. 도 35는 LED(5181, 5182 및 5183)가 구비된 LED 드라이버(910)를 나타냈다. 도 33에 교시된 바와 유사하게, LED(5181)를 흐르는 구동 전류는 서미스터(902)의 제어를 받아, 온도가 증가함에 따라 증가한다. 도 34에 교시된 바와 유사하게, LED(5182)를 흐르는 구동 전류는 서미스터(906)의 제어를 받아 온도가 증가함에 따라 증가한다. LED(5183)를 흐르는 구동 전류는 공핍형 HEMT(T7)의 제어를 받아 온도에 따라 거의 변하지 않는다. 일 실시예에서, LED(5183)은 블루 LED이고, LED(5181) 또는 LED(5182)는 레드 LED이다.
이상은 본 발명의 바람직한 실시예일뿐, 본 발명의 특허청구범위에 따른 균등 변화와 수정은 모두 본 발명의 범위에 포함되어야 한다.
10: 조명 시스템 12: 브리지 정류기
14: 역률 보정기 16: LED 구동 회로
18, 18B, 18R: LED 19: 전압 안정화 커패시터
60: LED 드라이버 62: 브리지 정류기
64: 밸리필 회로 66: 전류 구동 회로
67: 점선 72, 74, 76: 전압 파형
80: 반도체 칩 92: 실리콘 베이스
94: 완충층 95,95a: 메사 영역
96: 채널층 98: 하이 밴드갭층
100: 커버층 102: 금속층
102a, 102b, 102c, 102d, 102e: 금속 스트립
103: 절연층 104: 금속층
104a, 104b, 104c, 104d, 104e, 104f, 104g, 104h: 금속 스트립
105: 보호층 120: 다이오드 부호
130: 집적회로 140, 142, 144, 146, 148: 단계
150, 152: 곡선 170: 조절 영역
200: 조명 시스템 300: LED 드라이버
302: 전류 구동 회로 330: 조명 시스템
500: LED 드라이버 502: 브리지 정류기
504: 전류 구동 회로 518, 5181, 5182, 5183: LED
5201, 5202, 5203, 5204: LED 세그먼트
550: 반도체 칩 552: 집적회로
560: 조명 시스템 600: LED 드라이버
700: LED 드라이버 800: LED 드라이버
802: 양방향 트라이액 조광기
806: 브리지 정류기
808: 반도체 칩 810: 브리지 정류기
812: 반도체 칩 840: LED 드라이버
848: LED 850: 전기 저항
852: 쇼트키 다이오드 900: LED 드라이버
902, 906: 서미스터 910: LED 드라이버
AC+, AC-: 교류 입력 핀
AC1, AC2: 교류 전원선
ARM1, ARM2: 상부 아암
ART, ARB: 상하 두 아암
C1, C2, CF: 커패시터 CC1, CC2, CC3, CC4: 전류 스위치
DB1-DB4: 정류 다이오드
DVF1-DVF3: 다이오드
D: 단자 D1, D2: 구동 핀
GD, GE: 게이트 전극
GND: 접지선
GG: 게이트 영역 IC1, IC2: 분단 회로
ME, MD: HEMT PF1, PF2: 보정 핀
S: 단자 S1, S2: 구동 핀
SBD1, SBD2, SBD3, SBD4: 쇼트키 다이오드
T1, T2, T3, T4: HEMT T5, T6, T7, T8: 공핍형 HEMT
TP1, TP2, TP3: 시간 구간
VAC-IN: 교류 입력 전원
VCC: 고압 핀 VDC-IN: 직류 전원
VDD: 직류 전원선 VPEAK: 전압 피크 값
VSS: 저압 핀

Claims (10)

  1. 발광소자를 구동시키는 드라이버에 있어서,
    정류 다이오드를 포함하고, 교류 입력 전원을 공급받아 직류 전원을 생성하고, 직류 전원선과 접지선 사이에 걸쳐 있는 정류 회로; 및
    상기 발광소자와 함께 상기 직류 전원선과 상기 접지선 사이에서 직렬 연결되고, 제1 정전류를 제공하여 상기 발광소자를 구동시키는 제1 정전류원을 포함하는 전류 구동 회로;
    를 포함하고,
    상기 정류 다이오드와 상기 제1 정전류원은, 질화갈륨을 도통 채널 재료(GaN-based)로 하는 단일 완충층(buffer layer) 상에 공통으로 형성되는,
    드라이버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류 다이오드는 쇼트키 다이오드 및 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터(high electron mobility transistor；HEMT)를 포함하는, 드라이버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정류 다이오드는 멀티 핑거 구조(multi-finger structure)의 HEMT를 포함하는, 드라이버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 교류 입력 전원과 상기 정류 다이오드 사이에 결합된 양방향 트라이액 조광기, 및 상기 양방향 트라이액 조광기의 유지 전류를 제공하도록, 상기 직류 전원선과 상기 접지선에 직접 연결되는 제2 정전류원을 포함하는, 드라이버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 드라이버의 역률을 보정하는 역률 보정기를 더 포함하고, 상기 역률 보정기는 상기 직류 전원선과 상기 접지선 사이에 역방향으로 직렬 연결된 복수 개의 다이오드를 포함하고, 상기 복수 개의 다이오드는 상기 단일 완충층 상에 형성되는, 드라이버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 정전류원을 제어하여 상기 발광소자를 구동시키는 구동 전류를 환경 온도가 높아짐에 따라 증가시키는 서미스터를 더 포함하는, 드라이버.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 서미스터는 양의 온도계수 서미스터이고, 상기 제1 정전류원은 공핍형 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터 및 증식형 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터를 포함하고, 상기 증식형 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터는 게이트 및 두 개의 채널 단자를 포함하고, 상기 두 개의 채널 단자 중의 하나 및 상기 게이트 사이에는 상기 서미스터가 결합되는, 드라이버.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 증식형 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터는 상기 게이트 및 상기 두 개의 채널 단자를 차단시키는 게이트 절연층을 포함하고, 상기 게이트 절연층의 하단에는 상기 증식형 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터의 임계전압을 조절하는 조절 영역이 형성되는, 드라이버.
  9. 제1항에 있어서,
    제2 정전류원을 더 포함하되, 상기 제2 정전류원이 제공하는 최대 전류값과 상기 제1 정전류원이 제공하는 최대 전류값은 동일하지 않은, 드라이버.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 정류 다이오드는 공핍형 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터로 구성된 쇼트키 다이오드를 포함하고, 상기 공핍형 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터는 각각 상기 공핍형 고 전자이동도 전계효과 트랜지스터의 게이트와 채널이 되는 제1 금속 스트립 및 제2 금속 스트립을 포함하고, 상기 제1 금속 스트립은 두 개의 금속 아암을 통해 상기 제1 금속 스트립에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 금속 스트립, 상기 제2 금속 스트립 및 상기 금속 아암들은 모두 동일한 금속층 패턴화에 의해 형성되는, 드라이버.
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