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Experimental investigation of GaN power devices
dynamic performance, robustness and degradation
Badawi, Nasser
Over the next decade, the power electronics will require a new generation of semiconductor devices that are smaller, cheaper and more efficient. Technology changes will radically influence the power electronics business in different industries, including the automotive, renewable energy, motion and rail industry. The key features of highly efficient power converters comprise high switching performance and low on-state resistance at high power and high frequency. In comparison with silicon (Si), Gallium Nitride (GaN) semiconductors boast excellent features when compared to silicon (Si), particularly for power electronics applications. The development of power semiconductor devices has always been a driving force for power electronics systems. For a long time, silicon-based power devices have dominated both power electronics as well as power system applications. As the requirements for electric energy continue to grow, silicon (Si) devices are beginning to face some fundamental limits in performance due to the inherent limitations of Si material properties, which make them incompetent for future demands, especially in high-voltage, high-efficiency, and high-power-density applications. By applying GaN-based rather than state-of-the-art Si-based power devices, power converter efficiency can be significantly increased. In this dissertation thesis, the current collapse phenomena in Gallium Nitride (GaN)-based High Electron Mobility Transistors (HEMTs) are investigated. GaN HEMT has traditionally suffered from the so-called trapping effect, which leads to substantial degradation and instability of the on-state resistance. Dynamic impacts such as a high switching frequency at high-power transients are playing a major role by the degradation of the on-state resistance. It is evident that the number of switching transients substantially influences the increase of the RDSON, suggesting that this increase is attributable to a current collapse in GaN HEMTs.
Thermal effect is also a reason for the increase of on-state resistance on account of the increase of the junction temperature at high currents. To distinguish between thermal and trapping effects in GaN HEMT, different dynamic tests were carried out and possible interpretations have been made. A new measurement method to extract the dynamic on-state resistance RDSON of GaN HEMTs is also proposed. Such a method is an essential condition to conduct any RDSON measurement test. It permits an accurate measurement of RDSON from 200 ns after turn-on to any arbitrary time and is feasible for operation at high switching frequencies up to 1MHz. Applying this measurement method, different normally-off and normally-on GaN HEMTs grown on Si and SiC substrate are experientially investigated at different blocking voltages, switching currents, switching frequencies and switching speeds. The results are compared to the commercial state-of-the-art super-junction Silicon (Si) MOSFET operating under hard-switching conditions. Robustness and reliability of GaN HEMT is an essential issue. A short-circuit event is a serious and potentially destructive operation condition for a power transistor and needs to be turned-off quickly and safely. To define strategies for how to improve the reliability of a power device, it is necessary to understand the failure dynamics during a short circuit. A comprehensive experimental study focusing on the short-circuit capability of different types of 600V power transistors based on Si, SiC and GaN is provided. Failure mechanisms during short-circuit conditions of the investigated power transistors are analyzed and a possible theoretical explanation is given. The investigation of GaN-based Schottky diode feasible for high frequency operation and rated at 600V/20A represents another topic presented in this thesis. Static and dynamic characteristics of the diode are experimentally evaluated at varying temperatures and compared to commercially available Silicon Carbide (SiC) Schottky diodes. Lastly, an Interleaved Buck Converter (IBC) based on the investigated 600V normally-off GaN HEMT is used and tested in CCM, whereas the degradation and instability of the on-state resistance is assessed and compared with the results achieved during the double pulse experiments.
Im nächsten Jahrzehnt wird die Leistungselektronik eine neue Generation von Halbleiterbauelementen, die kleiner, preiswerter und effizienter sind, benötigen. Technologieänderungen werden den Leistungselektronikmarkt in verschiedenen Branchen, einschließlich der Automobil-, erneuerbare Energien und Bahnindustrie, sehr stark beeinflussen. Die Hauptmerkmale hocheffizienter Stromrichter sind eine hohe Schaltleistung und ein geringer Leitwiderstand bei hoher Leistung und hoher Frequenz. Im Vergleich zu Silizium (Si) zeichnen sich Galliumnitrid (GaN) Halbleiter, insbesondere für Leistungselektronikanwendungen, durch hervorragende Eigenschaften aus. Die Entwicklung von Leistungshalbleiterbauelementen war schon immer eine treibende Kraft für Leistungselektroniksysteme. Seit langer Zeit dominieren Silizium basierte Bauelemente die Leistungselektronik, wie auch deren Anwendungen. Da die Anforderungen im Bereich der Energieübertragung und -wandlung stetig weiter wachsen, stößt Silizium an seine physikalischen Grenzen, auf Grund seiner Materialeigenschaften, die es für zukünftige Anforderungen ungeeignet macht, vor allem bei Hochspannungsanwendungen mit hoher Leistungsdichte. Durch die Anwendung von GaN-basierten anstelle von hochmodernen Si-basierten Leistungsbauelementen kann der Wirkungsgrad des Leistungssystems deutlich erhöht werden. In dieser Dissertation wird das Phänomen des so genannten „Stromkollapses“ in GaN-basierten High Electron Mobility Transistors (HEMTs) untersucht. Der GaN HEMT hat traditionell unter dem sogenannten „Trapping-Effekt“ gelitten, was zu einer erheblichen Verschlechterung und Instabilität des Einschaltwiderstands (on-state resistance) führt. Dynamische Effekte, wie eine hohe Schaltfrequenz bei schnellen Schaltvorgängen spielen eine wesentliche Rolle bei der Verschlechterung des on-state Widerstandes. Es ist offensichtlich, dass die Anzahl der Schaltvorgänge die Zunahme des RDSON wesentlich beeinflusst, was darauf hindeutet, dass diese Zunahme auf einen Stromzusammenbruch in GaN HEMTs zurückzuführen ist.
Der thermische Effekt hat auch Einfluss auf die Erhöhung des on-state Widerstands bei hohen Strömen. Zur Unterscheidung zwischen den thermischen und den Trapping-Effekten in GaN HEMTs, wurden verschiedene dynamische Tests durchgeführt. Eine neue Messmethode zur Extraktion des dynamischen On-State Resistance RDSON von GaN HEMTs wird ebenfalls vorgeschlagen. Ein solches Verfahren ist eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung eines RDSON-Messversuchs. Es ermöglicht eine genaue Messung des RDSON, ab 200ns nach dem Einschalten, und ist für den Betrieb bei hohen Schaltfrequenzen bis zu 1 MHz möglich. Bei der Nutzung dieses Messverfahrens werden verschiedene Anreicherung- und Verarmungstypen-GaN HEMTs (normally-on, normally-off) basieren auf Si und SiC-Substrat bei verschiedenen Sperrspannungen, Schaltströmen, Schaltfrequenzen und Schaltgeschwindigkeiten experimentell untersucht. Die Ergebnisse werden mit einem aktuellen (Stand der Technik) Super-Junction-Silizium-MOSFET unter hartschaltenden funktionalen Bedingungen verglichen. Robustheit und Zuverlässigkeit von GaN HEMTs ist ein wesentliches Thema. Ein Kurzschlussereignis ist eine ernsthafte und potenziell zerstörerische Betriebsbedingung für einen Leistungstransistor und muss schnell und sicher abgeschaltet werden. Um Strategien für die Verbesserung der Zuverlässigkeit eines Leistungshalbleiters zu definieren, ist es notwendig, die Ausfalldynamik während eines Kurzschlusses zu verstehen. Diese Arbeit enthält eine umfassende experimentelle Studie, die sich auf die Kurzschlussfähigkeit verschiedener Typen von 600V-Leistungstransistoren auf der Basis von Si, SiC und GaN konzentrierte. Ausfallmechanismen bei Kurzschlussbedingungen der untersuchten Leistungstransistoren werden analysiert und eine mögliche theoretische Erläuterung gegeben. Die Untersuchung einer GaN-basierten Schottky-Diode (600V, 20A), die für den Hochfrequenz-betrieb geeignet ist, stellt ein weiteres Kapitel dieser Arbeit dar. Die statischen und dynamischen Eigenschaften der Diode werden bei unterschiedlichen Temperaturen experimentell ausgewertet und mit einem Stand der Technik Silicon Carbide Schottky-Dioden verglichen. Schließlich wird ein Interleaved Buck Converter (IBC) basierend auf dem untersuchten 600V normal-off GaN HEMT verwendet und im Dauerbetrieb getestet. Die Instabilität des Einschaltwiderstands wird bewertet und mit den Ergebnissen verglichen, die während der Doppelpulsexperimente erzielt wurden.
