Modellierung und Charakterisierung von GaN-HEMT-Bauelementen unter Berücksichtigung von Trapping-Effekten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marc Hiller; Privatdozent Dr.-Ing. Martin Sack
• 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 462921712

Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Erforschung und Weiterentwicklung einer von den Antragstellern vorgeschlagenen neuen Methode zur kombinierten Charakterisierung und Modellierung von Leistungshalbleitern, mit der alle relevanten Bauelementeigenschaften von GaN-HEMTs berücksichtigt werden können. Dies beinhaltet die experimentelle Charakterisierung von GaN-basierten Leistungshalbleitern in einem breiten Frequenzbereich bis 500 MHz sowie die Entwicklung eines Bauelementmodells, das für umfangreiche Simulationen und die Auslegung von GaN-basierten Schaltungen geeignet ist. Die Hauptarbeitspakete umfassen sowohl Kleinsignal-HF-Messungen im Frequenzbereich als auch Zeitbereichsmessungen, die zusammen als Datenbasis für den anschließenden Modellierungsprozess dienen.Das Projekt basiert auf Mess- und Modellierungstechniken, die in früheren Arbeiten der Antragsteller entwickelt und aufgebaut wurden. Die im vorliegenden Projektantrag beschriebenen Arbeitspakete werden diese Arbeiten unter besonderer Berücksichtigung der Eigenschaften von GaNLeistungshalbleitern und den damit verbundenen Trapping-Effekten von Ladungsträgern fortsetzen und methodisch erweitern. Dies umfasst Messungen, die eine Charakterisierung sowohl der trappingbedingten Relaxationszeiten im Zeitbereich, der trapping-bedingten Variation des Verstärkungsfaktors der Transistoren im Frequenzbereich als auch anderer Effekte wie die Temperaturabhängigkeit des Durchlasswiderstandes Rds,on ermöglichen. Im beantragten Projekt werden somit die folgenden wesentlichen Ziele verfolgt:- Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Testaufbaus für Kleinsignal-HF-Messungen von GaNHEMTs mit verbesserter Messgenauigkeit,- Entwurf und Implementierung eines Aufbaus, der Zeitbereichsmessungen von Spannungen und Strömen am DUT im gepulsten Modus für verschiedene Lastbedingungen ermöglicht,- Messungen mit beiden Versuchsaufbauten im Frequenz- und Zeitbereich, um die Rohdaten für die nachfolgende Modellierung zu erhalten,- Entwicklung eines Modells zur Schaltungssimulation, das sowohl die Kleinsignal-HF-Eigenschaften des Bauelements als auch zusätzlich Effekte wie das Ladungsträger-Trapping im gesamten Temperaturbereich berücksichtigt,- Validierung des Modells und Anwendung auf den Entwurf eines schnell schaltenden Leistungsschalters,- Anwendung des auf den oben genannten Methoden basierenden Schaltermodellsfür das Design einer Baugruppe mit parallel geschalteten GaN-HEMTs.

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