Design von GaN Transistoren für leistungselektronische Anwendungen

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• Verlag: Cuvillier Verlag
• Jahr: 2021
• ISBN drucken: 9783736974135
• eBook-ISBN: 9783736964136
• Auflage: 1

GaN-basierte Transistoren werden seit einigen Jahren als vielversprechende Kandidaten für zukünftige leistungselektronische Anwendungen gehandelt. Bei der Entwicklung dieser Bauelemente sollen insbesondere deren Durchbruchfestigkeit, Stromtragfähigkeit und Schaltgeschwindigkeit erhöht werden. Parallel soll die Effizienz immer besser werden. Um dies zu erreichen, müssen sowohl die epitaxische Struktur als auch das Design der Transistorstruktur optimiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine umfassende systematische Studie der Designparameter eines AlGaN/GaN-HEMTs durchgeführt. Ziel dabei war es, ein Transistordesign zu entwickeln, das für leistungselektronische Anwendungen optimiert ist. Die entsprechenden Maßnahmen gliederten sich in zwei große Bereiche: "Design für hohe Spannung" und "Design für niedrigen Ron und hohe Stromtragfähigkeit". Im Rahmen von Voruntersuchungen wurden systematische Erkenntnisse, Optimierungsmaßnahmen und technologische Lösungen erarbeitet, die in ein neues Transistordesign einflossen. Ein entsprechend optimiertes Design für die angestrebte 65 m?-Klasse wurde vorgeschlagen: 134 Finger à 1, 6 mm Fingerlänge bei einer Gesamtgateweite Wg = 214, 4 mm auf einer Fläche von 10, 12 mm². Die optimierten Transistoren wurden am FBH mittels p-GaN-Gate Normally-off-Technologie hergestellt. Im on-state wurde gezeigt, dass die Ströme von Ids max ~ 111 A bei einem Ron von ~ 52 m? und erreicht werden. Im off-state erreichten die Leistungselektronik-Transistoren die Durchbruchspannung von 700 V bei einem off-state Leckstrom unter 100 ?A. Die hier entwickelten Transistoren zeigten sowohl im on- als auch im off-state ein gutes Potential für den Einsatz in leistungselektronischen Anwendungen bis 600 V.

Inhaltsverzeichnis

• 1 Kapitel: Einführung
• 1.1 Motivation
• 1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit
• 2 Kapitel: Grundlagen der AlGaN/GaN-HEMTs
• 2.1 Materialeigenschaften von GaN und AlGaN/GaN Heterostruktur
• 2.2 AlGaN/GaN HEMT: Aufbau, Funktion und typische Kennlinien
• 3 Kapitel: Designkonzept für LE-Transistoren
• 3.1 Grundlagen des Designs
• 3.2 Anforderungen an GaN-Transistoren für die Leistungselektronikanwendungen
• 3.3 Designkonzept der GaN-Transistoren für Leistungselektronikanwendungen
• 4 Kapitel: Prozessdetails und Messmethoden
• 4.1 Herstellung der Transistoren und Teststrukturen
• 4.2 Elektrische Charakterisierung
• 5 Kapitel: Design für hohe Spannung
• 5.1 AlGaN/GaN HEMT im gesperrten Zustand
• 5.2 Designoptimierung für hohe Durchbruchfestigkeit
• 5.3 Zusammenfassung des Kapitels 5
• 6 Kapitel: Design für niedrigen Ron und hohe Stromtragfähigkeit
• 6.1 Thermische Effekte im AlGaN/GaN HEMT
• 6.2 Elektrisch-thermische Charakterisierung des Al- GaN/GaN HEMTs
• 6.3 Designstudie (ANSYS)
• 6.4 Zusammenfassung des Kapitels 6
• 7 Kapitel: LE-Transistoren – Design und Charakterisierung
• 7.1 Optimiertes Transistordesign
• 7.2 Charakterisierung der LE-Transistoren
• 7.3 Zusammenfassung des Kapitels 7
• 8 Kapitel: Zusammenfassung und Ausblick
• 8.1 Zusammenfassung und Fazit
• 8.2 Ausblick
• Quellenverweis
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis