Galliumnitrid (GaN)
Die Verwendung von Wide-Bandgap Halbleitermaterialen wie Galliumnitird (GaN) ermöglicht Vorteile im Bereich leistungselektronischer Anwendungen durch Erhöhung der Betriebstemperatur und Sperrspannung. Um das volle Potential von GaN-basierten Halbleitermaterialien ausnutzen zu können wurde die Halbleitertechnologie des "high electron mobility transistor (HEMT)" entwickelt, welche auf Grundlage eines 2-dimensionalen Elektronen Gas (2DEG) funktioniert. Die Entstehung des 2DEG beruht auf einer Kristallgitterverspannung und piezoelektrischer Polarisation an einer AlGaN/GaN Heteroepitaxieschicht. Durch das 2DEG, anstelle des konventionellen Kanalgebietes (z.B. bei MOSFETs), sind weitere Steigerungen der Stromtragfähigkeit, Energiedichte und Betriebsfrequenz möglich. Ursprünglich ist der GaN HEMT selbstleitend, wobei mit einer p-dotierten Gate-Struktur (p-Gate) ein selbstsperrendes Bauelement erzeugt wird.
Zum aktuellen Entwicklungsstand ist die Leitfähigkeit von p-Gate GaN HEMTs durch die Drain- und Gate-Spannung, die kürzlich an das Bauteil angelegt wurde, beeinträchtigt. Dieses Verhalten ähnelt der Hysterese von ferromagnetischen Stoffen und wird als Instabilität (transiente Änderung) der Schwellspannung (Vth) bezeichnet. Die Vth-Instabilität wird auf das Einfangen (trapping) und das Ansammeln (accumulation) von Elektronen und Löchern im Bereich des Gates zurückgeführt. Diese Instabilität kann für moderne leistungselektronische Systeme problematisch sein, da große transiente Vth-Änderungen zur Zerstörung des Bauteils bei Fehlerbedingen (z.B. Überlast oder Kurzschluss) führen kann. Darüber hinaus gibt es Indikationen, dass die wichtige Degradationsmechanismen sowie die Bauteil-Robustheit mit einer Verschiebung der Schwellspannung einhergehen.
- Charakterisierung von Drain- und Gate-Induzierten Vth-Instabilitäten, mittels eines am Lehrstuhl entwickelten schnellschaltenden Pulse-Setups (bis ca. 10 MHz)
- Analytische (physik-basierte) Modellbildung von statischen und transienten Mechanismen
- Erzeugung von Kompaktmodellen für typische Simulationstools der Schaltungstechnikentwicklung (z.B. Cadance, LTSpice oder SIMetrix)
- Untersuchung von Defektstellen mittels Lichtmikroskopie sowie Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM)
- Elektrothermische 3D Finite-Elemente-Modellierung zur Validierung von Defektstellen mit Hilfe der Bestimmung zeitabhängiger Temperaturverteilungen
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Publikationen
Oeder, T.; Pfost, M.: Threshold Voltage Behavior and Short-Circuit Capability of p-Gate GaN HEMTs Depending on Drain- and Gate-Voltage Stress, IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications, Los Angeles CA, USA, 10.2022, doi: 10.1109/WiPDA56483.2022.9955266
Oeder, T.; Pfost, M.: Gate-Induced Threshold Voltage Instabilities in p-gate GaN HEMTs, IEEE Transaction on Electron Devices (Journal), 09.2021, doi: 10.1109/TED.2021.3098254
Oeder, T.; Pfost, M.: Gate-Stress-Induced Threshold Voltage Instabilites, a Comparison of Ohmic and Schottky p-Gate GaN HEMTs, IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications, Kyoto, JPN, 10.2020, doi: 10.1109/WiPDAAsia49671.2020.9360288
Oeder, T.; Pfost, M.: Impact of Carrier Accumulation on the Transient Behavior of p-Gate GaN HEMTs , ISPSD2019 - The 31th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, Shanghai, CHN, 05.2019, doi: 10.1109/ISPSD.2019.8757570
Oeder, T.; Pfost, M.; D'Aniello, F.; Fayyaz, A.; Castellazzi, A.: Damage Accumulation in GaN GITs Exposed to Repetitive Short-Circuit , ISPSD2019 - The 31th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, Shanghai, CHN, 05.2019, doi: 10.1109/ISPSD.2019.8757692
Oeder, T.; Pfost, M.; Castellazzi, A. ; Fayyaz, A. ; Zhu, S.: Single pulse short-circuit robustness and repetitive stress aging of GaN GITs , Reliability Physics Symposium (IRPS), 2018 IEEE International, Burlingame, CA, USA, 03.2018, doi: 10.1109/IRPS.2018.8353593
Oeder, T.; Pfost, M.; Castellazzi, A.: Electrical and thermal failure modes of 600 V p-gate GaN HEMTs , ESREF2017 - 28th European Symposium on Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis, Bordeaux, FRA, 07.2017, Microelectronics Reliability (Journal), doi: 10.1016/j.microrel.2017.06.046
Oeder, T.; Pfost, M.; Castellazzi, A.: Experimental study of the short-circuit performance for a 600V normally-off p-gate GaN HEMTs , ISPSD2017 - The 29th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, Sapporo, JPN, 06.2017, doi: 10.23919/ISPSD.2017.7988925
Unger, C.; Pfost, M.; Mocanu, M.; Unger, C.; Pfost, M.; Waltereit, P.; Reiner, R.: Thermal Stability and Failure Mechanism of Schottky Gate AlGaN/GaN HEMTs, IEEE Transactions on Electron Devices, 01.2017, doi: 10.1109/TED.2016.2633725
Unger, C.; Pfost, M.; Mocanu, M.; Waltereit, P.; Reiner, R.: Pulse robustness of AlGaN/GaN HEMTs with Schottky- and MIS-gates, ISPSD2017 - The 29th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, Sapporo, JPN, 06.2017, doi: 10.23919/ISPSD.2017.7988915
Unger, C.; Pfost, M.; Mocanu, M.; Waltereit, P.; Reiner, R.: Experimental analysis of the gate-leakage-induced failure mechanism in GaN HEMTs, International Semiconductor Conference (CAS), Sinaia, Romania, 10.2016, doi: 10.1109/SMICND.2016.7783060