Reduzierter dynamischer Einschaltwiderstand für GaN-Leistungstransistoren
Aufgebauter 80 mOhm / 300 V GaN-Schalttransistor mit 4,5 mm × 2,4 mm Chipgröße
Erhöhung des dynamischen RON als Funktion der Spannungsfestigkeit für unterschiedliche GaN-Puffer. Kohlenstoffkonzentration in cm-3. Die Bestimmung von RON(stressed) erfolgte 0.2 µs nach Öffnen des bei 65 V Drainspannung gesperrten Transistors
Erhöhung des dynamischen Einschaltwiderstands in Abhängigkeit der Drainspannung im gesperrten Zustand für einen Transistor mit eisendotiertem GaN-Puffer
GaN-basierte Hochspannungsschalttransistoren bieten einen geringen flächenspezifischen Einschaltwiderstand und eine geringe Gatekapazität. Dadurch ermöglichen sie besonders effiziente Leistungskonverter, die wegen der geringen Verluste pro Schaltzyklus bei höheren Frequenzen betrieben werden können als Konverter mit Si-basierten Schaltern. Allerdings wird in diesen Bauelementen nach der Belastung von einigen 100 V Sperrspannung am Drain ein höherer Einschaltwiderstand gemessen als ohne vorherige Sperrspannungsbelastung. Dieser erhöhte dynamische Einschaltwiderstand kann gerade bei den schnellen Schaltvorgängen unter hohen Spannungen die spezifischen GaN-Vorteile wieder eliminieren. Ursachen sind Aufladungen des Halbleitermaterials oder der Halbleiterpassivierung unter dem Einfluss der hohen elektrischen Felder im gesperrten Transistorzustand. Die injizierten Ladungen verbleiben nach dem Einschalten der Transistorstruktur im Bauelement und reduzieren die Elektronenkonzentration im Transistorkanal – der Einschaltwiderstand ist größer.
Die Erhöhung des dynamischen Einschaltwiderstands hängt wesentlich von der Zusammensetzung des GaN-Puffers ab. Beispielsweise wird eine Kohlenstoffdotierung eingesetzt, um die Spannungsfestigkeit des Halbleiters zu erhöhen. Diese ist aber auch eine Hauptquelle für den erhöhten Einschaltwiderstand. Ziel ist jedoch eine hohe Sperrfähigkeit bei geringem dynamischem Einschaltwiderstand.
Neu entwickelte GaN-Pufferzusammensetzungen mit AlGaN und eisendotiertem GaN haben eine ähnliche Spannungsfestigkeit wie GaN:C Puffer mit geringen Kohlenstoffkonzentrationen. Sie zeigen aber einen deutlich geringeren dynamischen Einschaltwiderstand. Neben einer besseren Halbleiterqualität kann eine homogenere elektrische Feldverteilung im Bauelement den dynamischen Einschaltwiderstand reduzieren. Durch den Einbau von gateverbundenen Feldplatten lässt sich die Erhöhung des dynamischen Einschaltwiderstands auf 1/3 reduzieren.
Publikation
O. Hilt, E. Bahat-Treidel, E. Cho, S. Singwald, J. Würfl, "Impact of Buffer Composition on the Dynamic On-State Resistance of High-Voltage AlGaN/GaN HFETs", Proc. Int. Symp. on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD), Bruges / Belgium, 3-7 June, pp. 345-348 (2012).
FBH-Forschung: 27.07.2012