Thermische Charakterisierung von AlGaN/GaN-HEMTs auf Si- und n-SiC-Substraten
Abb. 1: Gepulste I-V-Charakterisierung der Transistoren mit großer Gateperipherie, auf SiC- und Si-Substraten; Einzelpuls (li.), I-V-Kennlinien extrahiert bei unterschiedlicher Zeit (re.)
Abb. 2: Modell der Wärmequelle für linearen Bereich der Ausgangskennlinie (li.); Differenz Kanaltemperatur - Temperatur Wärmesenke über Pulsdauer für GaN-Transistoren auf SiC- und Si-Substrat (m. und re.)
Abb. 3: Modell der Wärmequelle für Sättigungsbereich der Ausgangskennlinie (li.); Differenz Kanaltemperatur - Temperatur Wärmesenke über Pulsdauer für GaN-Transistoren auf SiC und Si-Substrat (m. und re.)
Die Kanaltemperatur ist entscheidend bei der Bewertung der Zuverlässigkeit und der Schaltverluste von AlGaN/GaN-Transistoren. Die hier vorgestellte Methode zur thermischen Charakterisierung von AlGaN/GaN-HFETs mit sehr großer Gateweite (214 mm Gatebreite, 134 Gatefinger) basiert auf gepulsten elektrischen Messungen. Dabei wurden die thermischen Eigenschaften der auf SiC- und Si-Substraten hergestellten 60 mΩ HEMTs messtechnisch durch eine gepulste Erfassung des Drainstroms (Ids) bei unterschiedlicher Temperatur der Wärmesenke charakterisiert. Diese Werte wurden anschließend mit der transienten thermischen Simulation mithilfe von ANSYS verglichen.
Die gepulsten Messungen wurden an der TU Berlin mithilfe einer speziell dafür entwickelten Messschaltung durchgeführt. Diese ist für Ströme bis 200 A geeignet und wurde im Rahmen der "Joint Lab Power Electronics", einer Kooperation zwischen TU Berlin und FBH, entwickelt. Die Charakterisierung der Transistoren erfolgte durch Pulsen der Drainspannung zu verschiedenen Punkten des Ausgangskennlinienfelds (Vds = 0…20 V). Die Werte des Drainstroms während des 20 µs dauernden Pulses werden dabei zeitlich hoch aufgelöst erfasst, so dass später die einzelnen dynamischen Kennlinien für verschiedene Zeitpunkte nach Beginn des Pulses extrahiert werden können (z.B. nach 0,5, 1, 2, 5, 10 und 20 µs, siehe Abb. 1). Thermisch kalibriert wurden die Ausgangskennlinien durch entsprechende Messung bei sehr kurzen Pulsen von 0,5 µs bei steigender Grundplattentemperatur.
Die so gemessenen Ergebnisse wurden mit der transienten thermischen Simulation (ANSYS) verglichen. Dieses Verfahren basiert auf vereinfachten GaN-auf-Si- und GaN-auf-SiC-Transistormodellen mit zwei Varianten der Heizquelle (siehe Abb. 2 und 3). Das Modell beinhaltet eine 1-Finger-Struktur, welche die thermischen Eigenschaften in der Mitte des Transistors repräsentiert. Je nach Arbeitspunkt des Transistors verändert sich die Position der Wärmequelle. Im linearen Bereich breitet sich die Wärmequelle nahezu homogen zwischen Source und Drain aus (Simulation 1, Abb. 2), während im Sättigungsbereich lediglich ein kleiner Bereich an der drainseitigen Kante des Gates als Heizquelle wirkt (Simulation 2, Abb. 3).
Wie durch die Unterschiede der thermischen Leitfähigkeiten bei SiC- und Si-Substraten zu erwarten, weisen die Transistoren auf Si- verglichen mit jenen auf SiC-Substrat eine höhere Kanaltemperatur auf. Dies trifft besonders für längere Pulszeiten im Sättigungsbereich der Ausgangskennlinie zu. Im linearen Bereich der Kennlinie, der für Schaltanwendungen typisch ist, unterscheiden sich die thermischen Eigenschaften der Transistoren auf SiC- und Si-Substraten nur wenig. Hier stimmen die Ergebnisse von Simulation 1 gut mit Messwerten überein (siehe Abb. 2, Kennlinien für 1 und 2 W/mm). Je mehr der Transistor in Richtung des Sättigungsbereichs der Ausgangskennlinie betrieben wird, desto mehr verschiebt sich die Wärmequelle an die drainseitige Gatekante. In diesem Fall liefert dann Simulation 2 die bessere Übereinstimmung mit der Messung.
Publikation:
R. Zhytnytska, J. Böcker, H. Just, E. Bahat-Treidel, O. Hilt, S. Dickerhoff, J. Würfl, G. Tränkle, "Thermal characterization of AlGaN/GaN HEMTs on Si and n-SiC substrates", To be published in Proceedings Int. Conf. on Compound Semiconductor Manufacturing Technology (CS ManTech 2015).
FBH-Forschung: 02.04.2015