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Design and characterization of highly-efficient GaN-HEMTs for power applications

 
: Reiner, Richard
: Ambacher, Oliver; Kallfass, Ingmar; Quay, Rüdiger

:
Fulltext urn:nbn:de:bsz:25-freidok-128898 (3.8 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: f70699436bf5098c146eba3a04245662
(CC) by-sa
Created on: 1.8.2017


Freiburg/Brsg., 2017, XIII, 109 pp.
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2016
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IAF ()

Abstract
Die hervorragenden physikalischen Eigenschaften des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) und der darauf basierenden AlGaN/GaN Heterostrukturen eignen sich besonders zur Prozessierung von leistungselektronischen Bauelementen. Die hohe Durchbruchsfeldstärke von GaN in Kombination mit der hohen elektrischen Leitfähigkeit eines polarisations-induzierten zwei-dimensionalen Elektronengases ermöglicht die Entwicklung von Transistoren mit hoher Sperrspannung, kleinem Durchlasswiderstand und kleinen Schaltladungen. Während die Materialeigenschaften und Technologien kontinuierlich verbessert werden, sollen auch beim Bauteilentwurf Fortschritte erzielt werden.
Diese Arbeit soll durch neue Ansätze beim Entwurf und bei der Charakterisierung von hocheffizienten GaN-Transistoren das enorme Potential dieser Technologie nutzbar machen.
Dazu werden "High-Electron-Mobility Transistors" (HEMTs) in ihren Betriebszuständen untersucht und ihr Verhalten in Bezug zu ihrer Bauteilstruktur analysiert. Hieraus ergeben sich neue Ansätze für den Entwurf dieser Leistungsbauelemente, die hier vorgestellt werden.
Ein Schwerpunkt liegt auf dem flächeneffizienten Entwurf von sehr niederohmigen GaN-Bauelementen. Auf der Basis eines analytischen Modells werden Konstruktionsmethoden für die Entwicklung hocheffizienter GaN-HEMTs abgeleitet. Neben dem Entwurf von interdigitalen Kamm-Strukturen werden neue Layouts für sehr großflächige Bauelemente vorgestellt. Die Layouts sind durch natürliche Flusssysteme inspiriert, wie eine fraktale Kamm-Struktur oder eine Kleeblatt-Struktur.
In vielen leistungselektronischen Anwendungen ist der rückleitende Zustand ebenfalls relevant. Da GaN-HEMTs keine intrinsischen "Body-Dioden" enthalten unterscheidet sich das Verhalten deutlich von herkömmlichen Leistungstransistoren. Diese Arbeit untersucht das Rückflussverhalten einer konventionellen HEMT-Struktur und stellt eine neue, verbesserte HEMT-Struktur mit integrierter Freilaufdiode vor.
Aufgrund kleiner Schaltladungen zeichnen sich GaN-HEMTs durch kleine Schaltverluste aus. Diese Arbeit stellt die messtechnische Charakterisierung von GaN-Transistoren mit sehr kleinen Gate-Ladungen vor. Darüber hinaus wurde in einem eigens dafür entwickelten Pulsmessplatz der Effekt des dynamischen Durchlasswiderstands in einer anwendungsnahen Umgebung bestimmt.
Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit wurden in einem Bauelement-Demonstrator zur Anwendung gebracht. Der GaN-Transistor wurde charakterisiert und seine Eigenschaften mit dem Stand der Technik verglichen. Das Bauelement erzielt den kleinsten flächenspezifischen Widerstand, kleinste Schaltladungen und enthält eine integrierte Freilaufdiode.
Damit trägt diese Arbeit zum Fortschritt und der Entwicklung von noch effizienteren und leistungsfähigeren Transistoren für die Anwendung in der Leistungselektronik bei.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-458763.html