Modellierung und Bewertung der Schwellspannungsinstabilität in p-Gate GaN HEMTs

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Pfost
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462842520

In dieser Studie beabsichtigen wir die Entwicklung eines verifizierten Kompaktmodells für p-Gate-GaN-HEMTs, dass für die Simulation von DC-, AC- und Großsignal-Transienten einschließlich Schwellenspannungsinstabilitäten geeignet ist und für Kurzschluss- und möglicherweise Zustandsüberwachung verwendet werden kann. Das Modell wird für eine breites Spektrum von Spannungsklassen verwendbar sein, so dass die meisten existierenden Bauelemente berücksichtigt werden können. Eine gängige Praxis zum Nachweis der Schwellenspannungsinstabilität ist eine quasistatische Bestimmung der Schwellenspannungsverschiebung. Aufgrund der Einschränkungen dieser Methodik haben wir ein Messverfahren entwickelt, dass geeignet ist die Änderung der Schwellenspannung als zeitabhängiges, sowie transientes Phänomen nachzuweisen. Aufgrund der Erfassung physikalisch relevanter Größen sind wir davon überzeugt, dass die Parametrisierung des Modells auf der Grundlage dieser Messungen erfolgen kann. Das Modell wird auf dem Ansatz des Oberflächenpotentials (physikalisch basiert) aufgebaut und folglich basierend auf analytischen Gleichungen in VerilogA implementiert, wodurch die Anwendbarkeit für gängige Schaltungssimulationswerkzeuge sichergestellt wird.Die Mechanismen, die zu einer Instabilität der Schwellenspannung führen, wurden als Akkumulation und Trapping von Ladungsträgern identifiziert, was wiederum zu einer transienten Ladungsänderung des 2-dimensionalen Elektronengas in der Region unter der Gatestruktur führt. Gemäß der Literatur in Verbindung mit unseren Messungen umfassen die zu berücksichtigenden Mechanismen die Injektion und das Einfangen von Elektronen und Löchern. Daher werden thermionic emission, Pool-Frankel emission, das feldunterstützte Tunneln, die Freisetzung von Traps bestehender Zustände sowie die thermische Erzeugung und Rekombination von Ladungsträgern berücksichtigt.Die Instabilität der Schwellenspannung kann für moderne leistungselektronische Systeme problematisch sein. Dies liegt daran, dass die transiente Schwellenspannungsänderung groß sein kann. Am wichtigsten ist jedoch, dass dies in Fehlerzuständen z.B. bei Überlast oder Kurzschluss zu Schäden am Bauelement führen kann, da das Gerät nicht sicher abschaltet, wenn die transiente Schwellenspannung viel kleiner ist als erwartet. Studien zur Zuverlässigkeit dieser Bauelemente zeigen, dass wichtige Verschlechterungsmechanismen und die Robustheit der Bauelemente mit einer Verschiebung der Schwellenspannung einhergehen. Andererseits könnte die herstellungsbedingte Schwellenspannungsfehlanpassung von monolithisch integrierten GaN-Schaltungen durch die transiente Änderung der Schwellenspannung weiter verkompliziert werden. Daher sind für GaN-Bauelemente eine Zustandsüberwachung, vorausschauende Wartung sowie die Vorhersagbarkeit von transienten Änderungen der Eigenschaften essentiell um ihre Akzeptanz zu erhöhen, insbesondere in Bereichen wo eine ungeplante Ausfallzeit nicht akzeptabel ist.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2312: Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"