GaN Power Devices Methodik zur Qualifikation der Zuverlässigkeit von GaN-Produkten

Autor / Redakteur: Sandeep R. Bahl * / Gerd Kucera

TI arbeitet am Design eines umfassenden Qualitätsprogramms auf der Basis der Grundlagen von GaN sowie anwendungsrelevanter Tests. Ziel dieser Maßnahmen ist es, zuverlässige GaN-Lösungen anzubieten.

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Bild 1: Dieser Querschnitt durch einen GaN-Baustein zeigt, wie eingefangene Elektronen den On-Widerstand ansteigen lassen können, indem sie die Zahl der Elektronen in der Kanalschicht reduzieren.
Bild 1: Dieser Querschnitt durch einen GaN-Baustein zeigt, wie eingefangene Elektronen den On-Widerstand ansteigen lassen können, indem sie die Zahl der Elektronen in der Kanalschicht reduzieren.
(Bild: TI)

Die Materialeigenschaften von Galliumnitrid (GaN) schaffen die Voraussetzungen für die Herstellung eines interessanten, richtungsweisenden Leistungsschalters, nämlich des Leistungs-HEMT (High-Electron Mobility Transistor) auf GaN-Basis.

Bei diesem HEMT handelt es sich um einen Feldeffekt-Transistor (FET), der allerdings einen deutlich niedrigeren Einschaltwiderstand aufweist und schneller schaltet als ein Silizium-Leistungstransistor mit vergleichbaren Abmessungen. Leistungswandlungs-Anwendungen lassen sich aufgrund dieser Vorteile energie- und platzeffizienter ausführen.

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Da sich GaN auf Silizium-Substraten züchten lässt, ist die Nutzung von Silizium-Fertigungsanlagen und eine Senkung der Kosten möglich. Wie bei neuen Technologien üblich, steht der Nachweis der Zuverlässigkeit allerdings noch aus. Die Qualifikation von GaN-Bauelementen ist Thema dieses Artikels.

Mehr als 30 Jahre Erfahrung und fortlaufende Verbesserungen haben dafür gesorgt, dass die Industrie die Zuverlässigkeit von Silizium-Leistungstransistoren mittlerweile als gegeben hinnimmt. Langjährige Erfahrung hat eine ausgereifte Qualifikationsmethodik hervorgebracht, nach der die Zertifizierung der Zuverlässigkeit und Qualität mithilfe standardisierter Tests erfolgt.

Diese Tests haben ihren Ursprung in detaillierten Arbeiten über das Verständnis der Ausfallarten, die Aktivierungsenergien und Beschleunigungsfaktoren sowie auf der Entwicklung eines statistischen und mathematischen Rahmens zur Extrapolation von Lebensdauern, Ausfallraten und Defektdichten. Da inzwischen mehrere Generationen von Silizium-Bauteilen unter Praxisbedingungen über ihre gesamte Lebensdauer hinweg eingesetzt wurden, kann diese Qualifikationsmethodik als erprobt angesehen werden.

GaN-Transistoren stellen im Gegensatz dazu jedoch eine neuere Entwicklung dar. Hochfrequenz-GaN-HEMTs auf der Basis teurerer Siliziumkarbid-Substrate haben es in Funk-Basisstationen zu großer Verbreitung gebracht, und ihre Zuverlässigkeit ist erprobt. Obwohl er auf ähnlichen Grundlagen basiert, weist der Leistungs-GaN-HEMT zusätzliche Merkmale auf, die seine Spannungsfestigkeit erhöhen.

Er wird auf einem Siliziumsubstrat gezüchtet und aus Kostensenkungsgründen mit Werkstoffen hergestellt, die zu Silizium-Fertigungsverfahren kompatibel sind. Im Interesse der Ausfallsicherheit muss er außerdem als selbstsperrender Anreichungs-Transistor hergestellt werden.

Drei Architekturen haben die größte Verbreitung: Insulated-Gate-GaN-HEMT als Verarmungstyp in Kaskodenschaltung mit einem Anreicherungs-SI-FET, Insulated-Gate-GaN-HEMT als Anreicherungstyp und p-dotierter Junction-Gate-GaN-HEMT in Anreicherungsbauart.

Diese drei Bauarten unterscheiden sich in ihren Ausfallarten sowohl untereinander als auch von Silizium-FETs, sodass sich die Frage stellt, wie sie zu qualifizieren sind. Das standardmäßige, auf Silizium basierende Qualifikationsverfahren ist ein angemessener Gradmesser für Qualität und Zuverlässigkeit. Unklar sind dagegen seine Konsequenzen für GaN-Transistoren, was die Bauelemente-Lebensdauer, die Ausfallrate und die Anwendungsrelevanz betrifft.

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