Characterization of the failure mechanisms of power-GaN-HEMT transistors in switching regime
Caractérisation des mécanismes de défaillance des transistors de puissance en GaN en régime de commutation
Résumé
Power-GaN-HEMT is the up-and-coming device in space applications. Gallium nitride tolerates higher operational temperatures than silicon, and it is an inherently radiation-hard material. In addition, GaN-based transistors offer remarkable performances for power switching energy converters like low on-resistance and high power densities compared to silicon-based devices. Furthermore, due to its higher switching frequency, smaller and lighter power converters can be conceived in as much the value of passive devices can be reduced when operating at higher frequencies.
Notwithstanding all these advantages, the use of large-scale power-GaN-HEMTs remains limited due to the lack of awareness of the reliability of these components with aging. These components have physical effects that were not found in silicon power transistors and that must be taken into account when studying these components. Indeed, the conventional tests that we use today for silicon power transistors do not manage to cover all the requirements of HEMT power in GaN, especially the trapping effects.
We carried out an analysis of this technology, in order to study the failure mechanisms and the technological bottle-neck which slow down the deployment of power-GaN-HEMT. We have explored methods to measure the trapping effects in order to complete conventional tests that are used today to characterize power transistors. A power-cycling bench has been designed to study the degradation and the trapping effects with the aging in switching regime. Finally, we carried out radiation tests in order to study the power-GaN-HEMT suitability for space applications.
Le transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) de puissance en nitrure de gallium présente une faible résistance passante RDSON et une commutation rapide, limitant ainsi les pertes de conduction et commutation. Sa haute fréquence commutation permet de réduire la valeur des composants passifs des convertisseurs d’énergie. De ce fait on peut concevoir des équipements plus légers et moins encombrants. En plus, le GaN est intrinsèquement robuste aux effets de la radiation et peut travailler à des températures extrêmes.
Malgré tous ces avantages, l’utilisation des HEMT de puissance en GaN à grande échèle reste limitée à cause de la méconnaissance de la fiabilité de ces composants avec le vieillissement. Ces composants présentent des effets physiques qu’on ne trouvait pas dans les transistors de puissance en silicium et qu’il faut prendre en compte lors de l’étude de ces composants. En effet, les tests conventionnels qu’on utilise aujourd’hui pour les transistors de puissance en silicium n’arrivent pas à couvrir toutes les exigences des HEMT de puissance en GaN, spécialement les effets de piégeage.
Nous avons réalisé une analyse de cette technologie, avec toute la littérature disponible afin de comprendre son fonctionnement et d’identifier les mécanismes de défaillance et les verrous qui freinent le déploiement de ces transistors. Nous avons exploré les possibilités d’utilisation de méthodes disponibles pour mesurer les effets de piégeage afin de compléter les tests conventionnels qu’on utilise aujourd’hui pour caractériser les transistors de puissance. Un banc de cyclage actif a été conçu afin d’étudier la dérive des performances et les effets de piégeage des transistors en fonction du vieillissement en commutation. Finalement, nous avons soumis des composants à un test d’irradiation pour étudier leur robustesse face aux ions lourds afin de déterminer leur convenance pour des applications spatiales.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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