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Estudio de la fiabilidad de los dispositivos HEMT de GaN

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Estudio de la fiabilidad de los dispositivos HEMT de GaN

dc.contributor.advisor	Maset Sancho, Enrique
dc.contributor.author	Martinez Mecinas, Pedro Javier
dc.contributor.other	Departament d'Enginyeria Electrònica	es_ES
dc.date.accessioned	2021-11-02T09:18:09Z
dc.date.available	2021-11-03T05:45:07Z
dc.date.issued	2021	es_ES
dc.date.submitted	21-10-2021	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/80623
dc.description.abstract	The theoretical advantages of GaN devices compared to its Silicon counterparts has been extensively studied and confirmed over the last decade. Following these studies, the current thesis is made with the aim of studying the current reliability of commercial GaN devices to contribute the future improvement of these devices from the point of view of its application in the future of power electronics. The research carried out in this thesis is divided into three clearly differentiated parts. The first part is about the main problem associated with the GaN HEMT technology from its beginning and is known as dynamic resistance. This problem has been extensively studied in the literature over the last decades and still being today one of the main problems associated to the GaN HEMTs. This thesis studies this phenomenon over different commercial GaN devices. These studies show that a good structural design of the GaN HEMT is mandatory to avoid problems causing dynamic resistance. While some manufacturers still showing this problem on its HEMTs, others have managed to reduce it with new structural designs. The second part of this thesis corresponds to the analysis and results from a point of view of the electrical reliability, also known as robustness of the GaN HEMT devices. This second part it’s about the capability of the device to endure short-circuits and over-voltages. This part is the closest to the real application of the GaN HEMT devices as power semiconductor in the industrial environment. The results obtained in this thesis show that GaN HEMT devices do not show a good behavior with avalanche events and it does not seem to have an immediate solution. However, GaN HEMT devices analyzed in short circuit demonstrate good behavior under short circuit conditions. Despite of the need for improvements related with hot-electron effect, the GaN HEMTs have endured short circuit events for times much greater than its Silicon counterparts. As third and last part, this thesis shows the tests related with the needed of the use of these devices at the aerospace industry by analyzing the robustness and behavior against electromagnetic radiation. These studies demonstrate that the design and internal structure of the GaN HEMTs play a main role in the behavior of these devices against radiation. Besides, all the observed changes of the GaN HEMTs are related with charge trapping/detrapping effects. For this reason, the devices that have demonstrated being free current collapse during the dynamic resistance tests have also demonstrated a good behavior against radiation, and its electrical characteristics has not been modified after low and high doses of gamma radiation. Therefore, the obtained results over this thesis show the GaN HEMTs as promising devices for the future of power electronics. They are close to its use in final applications but still being necessary to improve some of their technological aspects for its use in the actual power designs (such as encapsulated, drive circuits …). These aspects are expected to improve with the evolution and improvement of design and manufacturing processes.	en_US
dc.description.abstract	El presente trabajo de tesis en Ingeniería Electrónica tiene como objetivo el estudio de la fiabilidad de dispositivos HEMT (High Electron Mobility Transistor) de GaN (Gallium Nitride). Gracias a las ventajas teóricas en el uso de dispositivos GaN frente a dispositivos de Silicio y a la aparición de dispositivos GaN que mejoran las prestaciones de sus homónimos de Silicio, el siguiente paso, es el estudio de la fiabilidad que presentan estos dispositivos en la actualidad, con el objetivo de mejorarlos e investigar los límites actuales en determinadas aplicaciones de potencia. La investigación realizada en esta tesis se divide en tres partes claramente diferenciadas. La primera de ellas trata el estudio del principal problema asociado a la tecnología de los HEMT de GaN de cara a su funcionamiento en conmutación: la resistencia dinámica. Este ha sido un problema muy estudiado desde los inicios de la realización de los HEMT de GaN para aplicaciones de potencia, que a día de hoy sigue siendo uno de los principales problemas a resolver en estos dispositivos. En esta tesis se han estudiado distintos dispositivos comerciales, donde se demuestran que un buen diseño estructural del dispositivo GaN HEMT es imprescindible para evitar problemas asociados a la resistencia dinámica. Mientras unos fabricantes continúan presentando este problema en sus dispositivos, otros fabricantes han conseguido minimizarlo mediante modificaciones en la estructura. La segunda parte engloba el análisis y los resultados obtenidos desde un punto de vista de la fiabilidad eléctrica, o también conocido como robustez de estos dispositivos. Esta segunda parte engloba las pruebas para determinar la capacidad de soportar cortocircuitos y avalanchas por sobretensión. Análisis, que es de aplicación directa de cara al funcionamiento real de los dispositivos GaN HEMT como transistores de potencia en el campo industrial. Los resultados obtenidos en esta tesis muestran que los dispositivos HEMT de GaN no tienen un buen comportamiento frente a eventos de avalancha y a priori no parece un problema con una solución inmediata. Sin embargo, los dispositivos HEMT de GaN analizados en cortocircuito si demuestran un buen comportamiento ante condiciones de cortocircuito. A pesar de la necesidad de mejoras, que están relacionadas con el efecto de los electrones calientes (hot-electron) los dispositivos HEMT de GaN han conseguido soportar tiempos de cortocircuito mucho mayores que sus competidores de Silicio. Por último, la tercera parte engloba las pruebas relacionadas con la necesidad asociada al uso de estos dispositivos en la industria aeroespacial, analizando la robustez y comportamiento ante radiación electromagnética. Esta última parte de estudio, demuestra que el diseño y geometría de la estructura juega un papel esencial en el comportamiento de los dispositivos HEMT de GaN frente a radiación. Además, todos los cambios observados tras la radiación de los dispositivos HEMT de GaN están relacionados con efectos de atrapamiento/desatrapamiento de cargas en los dispositivos. Por este motivo, los dispositivos que han demostrado estar libres de este atrapamiento durante los test de resistencia dinámica, han demostrado ser robustos frente a radiación y no han sufrido cambios tras la misma, independientemente del uso de dosis altas o bajas de radiación gamma. Por tanto, los resultados obtenidos durante esta tesis muestran a los HEMT de GaN como dispositivos prometedores, que se encuentran ya muy cerca de su uso en aplicaciones reales, pero que todavía tiene aspectos tecnológicos, de cara a su implantación en los diseños de potencia actuales (tales como el encapsulado, circuitos de disparo, etc.), que se espera, vayan mejorándose con la evolución de los procesos de diseño y fabricación.	es_ES
dc.format.extent	203 p.	es_ES
dc.language.iso	es	es_ES
dc.subject	semiconductor	es_ES
dc.subject	gan	es_ES
dc.subject	fiabilidad	es_ES
dc.subject	potencia	es_ES
dc.subject	transistor	es_ES
dc.subject	wbg	es_ES
dc.title	Estudio de la fiabilidad de los dispositivos HEMT de GaN	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::CIENCIAS TECNOLÓGICAS	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES