Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Zugl.: Wuppertal, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2009

Zielstellung dieser Arbeit ist es, Methodik und Verfahren zur Modellierung von Leistungshalbleitern zu erarbeiten, um die Verfügbarkeit und Handhabbarkeit dieser Modelle für die Schaltungsanalyse zu erhöhen. Ausgangspunkt ist eine Analyse der Anforderung und ein Vergleich mit den gegebenen ökonomischen und fachlichen Möglichkeiten. Im Ergebnis wird ein hierarchischer Aufbau von Verhaltensmodellen befürwortet. Die zur Modellrealisierung benötigten Techniken werden vorgestellt. Das erarbeitete Verfahren zur verhaltensbeschreibenden Modellierung erfordert eine am Modellumfang orientierte Wahl der Beschreibungssprache und zeichnet sich durch Verwendung von Datenblattangaben zur Parametrisierung und geringem Simulationszeitbedarf der Modelle aus. Für diskrete Einzelhalbleiter werden physikalisch interpretierbare Ersatzschaltungen auf Grund ihrer hoher Anschaulichkeit und der erreichbaren Portabilität der Modelle bevorzugt, komplexere Modelle mit Steuer- und Schutzeinrichtungen sind mit Zustandsbeschreibungen zu kombinieren. Der allgemeingültige Ansatz ist auf beliebige Leistungshalbleiter anwendbar und wird ausführlich anhand des IGBT, von Smart-Power-Elementen und anderer Bauelemente dargelegt.

Leistungshalbleiter werden in Windenergieanlagen, Elektroautomobilen und vielen anderen Applikationen eingesetzt, bei denen die elektrische Energie in eine spezielle Form zu wandeln ist, um etwa Netzeinspeisung bei Windenergieanlagen oder eine spezifische Beschleunigung bei Elektroautomobilen zu realisieren. Bei ihrem Einsatz altern sie, dabei spielen Lastwechsel eine besondere Rolle. Es wird untersucht, welche Aspekte eine wichtige Rolle bei der Lastwechselbelastung einnehmen, wie sie zu berechnen und zu berücksichtigen sind. Am Beispiel von Leistungsmessdaten zweier an der mittelnorwegischen Küste betriebenen Windenergieanlagen wird beispielhaft gezeigt, wie die Lastwechselbelastung ermittelt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wurde ein modularer 2000A Lastwechseltester entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen, der mit einer neuen VCE(T) Kalibriermethode, der Aktiven Kalibrierung, ausgerüstet ist. Tester und Kalibriervorgang werden vorgestellt und im Detail diskutiert. Auf dieser Basis werden Perspektiven aufgezeigt, wie Lastwechseltester zukünftig optimiert gestaltet und die Messmethoden zur Alterungsbestimmung in die Applikation überführt werden können. / Power semiconductors are deployed in wind mills, electrical cars and many other applications whenever electrical energy has to be transformed into an intended form e.g. to feed-in wind energy or to accelerate a car. In use they fatigue at which power cycles play an important role. This work investigates the aspects taking the main role at power-cycle load, how they are to calculate and how to be considered. Based on power measurements of two wind mills placed at the middle Norwegian coast, it is shown how to determine the power cycle load. A modular 2000A power cycling test equipment has been developed, built-up and run-in. By means of this equipment a new VCE(T) calibration-method is demonstrated. The equipment as well as the calibration procedure is presented and discussed in detail. On that basis perspectives are depicted how power cycle equipment can be optimized and, moreover, methods for fatigue determination can be transferred from laboratory into application.

Zielstellung dieser Arbeit ist es, Methodik und Verfahren zur Modellierung von Leistungshalbleitern zu erarbeiten, um die Verfügbarkeit und Handhabbarkeit dieser Modelle für die Schaltungsanalyse zu erhöhen. Ausgangspunkt ist eine Analyse der Anforderung und ein Vergleich mit den gegebenen ökonomischen und fachlichen Möglichkeiten. Im Ergebnis wird ein hierarchischer Aufbau von Verhaltensmodellen befürwortet. Die zur Modellrealisierung benötigten Techniken werden vorgestellt. Das erarbeitete Verfahren zur verhaltensbeschreibenden Modellierung erfordert eine am Modellumfang orientierte Wahl der Beschreibungssprache und zeichnet sich durch Verwendung von Datenblattangaben zur Parametrisierung und geringem Simulationszeitbedarf der Modelle aus. Für diskrete Einzelhalbleiter werden physikalisch interpretierbare Ersatzschaltungen auf Grund ihrer hoher Anschaulichkeit und der erreichbaren Portabilität der Modelle bevorzugt, komplexere Modelle mit Steuer- und Schutzeinrichtungen sind mit Zustandsbeschreibungen zu kombinieren. Der allgemeingültige Ansatz ist auf beliebige Leistungshalbleiter anwendbar und wird ausführlich anhand des IGBT, von Smart-Power-Elementen und anderer Bauelemente dargelegt.

This paper deals with a method to additionally heat with switching losses in a classical power cycling test, as it is often used for power semiconductors.The fundamentals of testing, switching behavior, thermal and electrical characteristics of semiconductors are covered.The core of the work is the construction, start-up and solution of technical problems during the testing of the test stand. Another aspects are the measurement and software challenges in generating the pulse pattern and in evaluating the results. The last part of the work deals with the testing of different types of semiconductors, such as IGBTs and MOSFETs, which were also made of different materials, such as silicon and silicon carbide, and had different voltage classes.:Contents i Symbols and Abbreviations iii Introduction 1 1. Power Cycling Lifetime 2 1.1. Power Cycling-induced Ageing Mechanisms and Test Methods 2 1.1.1. Overview of Packaging Technologies and their Wear-out Failures 2 1.1.2. Failure Mechanisms in Power Modules and Discrete Devices 6 1.1.3. Basic Structure of a Test Bench for DC Power Cycling Tests 8 1.1.4. Modifications for SiC MOSFET Operation 12 1.1.5. Measurement Accuracy, Limits and Consequences for Test Evaluation 16 1.1.6. Thermal Resistance and Thermal Impedance Spectroscopy 18 1.2. Empirical Power Cycling Lifetime Models 21 2. Specific Limitations in Conditions for some Devices 27 3. Approaches of an Application-close Power Cycling Test 30 4. New Test Bench Concept with an adjustable part of switching losses 35 4.1. Basics for Switching 35 4.1.1. Active Clamping 38 4.1.2. Boosted Active Clamping 40 4.2. Repetitive Unclamped Inductive Switching 42 4.3. Test Bench Concept for Power Cycling Test with Turn-off Losses 44 4.4. Dimensioning of the Stray Inductance 47 4.4.1. Current Ripple and Attainable Switching Losses 51 4.5. Special Setup for Si and SiC MOSFETs 57 4.6. Measurement Algorithm and necessary Hardware 58 4.6.1. Measurement Hardware 58 4.6.2. Measurement Algorithm 60 4.6.3. Challenges during the Measurement 62 4.6.4. Current Source for Fast Regulation 66 5. Test Results with IGBTs 69 5.1. Modules with Baseplate 69 5.2. Modules without Baseplate 80 5.3. IGBTs in Discrete Housings 90 6. Test Results with MOSFETs 97 6.1. Low Voltage Si MOSFETs 97 6.2. SiC MOSFETs 106 7. Analysis of Si Low-voltage MOSFETs Results with FEM 107 8. Conclusion and Outlook 113 9. Acknowledgement 118 References 119 Appendix 136

Leistungshalbleiter werden in Windenergieanlagen, Elektroautomobilen und vielen anderen Applikationen eingesetzt, bei denen die elektrische Energie in eine spezielle Form zu wandeln ist, um etwa Netzeinspeisung bei Windenergieanlagen oder eine spezifische Beschleunigung bei Elektroautomobilen zu realisieren. Bei ihrem Einsatz altern sie, dabei spielen Lastwechsel eine besondere Rolle. Es wird untersucht, welche Aspekte eine wichtige Rolle bei der Lastwechselbelastung einnehmen, wie sie zu berechnen und zu berücksichtigen sind. Am Beispiel von Leistungsmessdaten zweier an der mittelnorwegischen Küste betriebenen Windenergieanlagen wird beispielhaft gezeigt, wie die Lastwechselbelastung ermittelt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wurde ein modularer 2000A Lastwechseltester entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen, der mit einer neuen VCE(T) Kalibriermethode, der Aktiven Kalibrierung, ausgerüstet ist. Tester und Kalibriervorgang werden vorgestellt und im Detail diskutiert. Auf dieser Basis werden Perspektiven aufgezeigt, wie Lastwechseltester zukünftig optimiert gestaltet und die Messmethoden zur Alterungsbestimmung in die Applikation überführt werden können. / Power semiconductors are deployed in wind mills, electrical cars and many other applications whenever electrical energy has to be transformed into an intended form e.g. to feed-in wind energy or to accelerate a car. In use they fatigue at which power cycles play an important role. This work investigates the aspects taking the main role at power-cycle load, how they are to calculate and how to be considered. Based on power measurements of two wind mills placed at the middle Norwegian coast, it is shown how to determine the power cycle load. A modular 2000A power cycling test equipment has been developed, built-up and run-in. By means of this equipment a new VCE(T) calibration-method is demonstrated. The equipment as well as the calibration procedure is presented and discussed in detail. On that basis perspectives are depicted how power cycle equipment can be optimized and, moreover, methods for fatigue determination can be transferred from laboratory into application.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Durchführung eines Teststand für Gateoxidstresstests mit einer gestuften Anhebung der Spannung und einer anschließenden Datenauswertung, um den Anwendern eine Möglichkeit zur Ermittlung der extrinsischen und intrinsischen Fehler von Bauelementen zu ermöglichen. Hierbei wurden Unterschiede zwischen den verschiedenen Herstellern von Si-IGBTs und SiC-MOSFETs gefunden und auch zwischen verschiedenen Bauelementtypen des gleichen Herstellers von SiC-MOSFETs. Zusätzlich dazu wurden die geltenden Empfehlungen für Heißsperrdauertests und Sperrtests unter feuchter Wärme auf die Nutzbarkeit für Anwender untersucht. Hierbei zeigt sich, dass in Hinblick auf die höhere Betriebstemperatur der Bauelemente die geltenden Empfehlungen für Heißsperrdauertests überarbeitet werden sollte. Für die anwendungsnahe Durchführung eines Sperrtests unter feuchter Wärme sollten ebenfalls die geltenden Empfehlungen überarbeitet werden, da für Bauelemente mit größeren Sperrspannungen als 100 V, die Sperrspannung in der Anwendung über 80 V liegt.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Formelverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 2 Dielektrika in Leistungsbauelementen 2.1 Anwendungen und Anforderungen an Dielektrika in Leistungshalbleitern 2.1.1 Passivierung 2.1.2 Gateoxid 2.2 Alterungsmechanismen von Dielektrika 2.2.1 Ladungen, Haftstellen bzw. Fehler im Oxid 2.2.2 Das E-Modell 2.2.3 Das 1/E-Modell 2.2.4 Zusammenspiel der beiden Mechanismen 2.2.5 Elektrochemische Migration 2.3 Grenzfläche von Dielektrika und Halbleiter 2.4 Beschleunigungsmodelle 2.4.1 Das Arrhenius-Modell 2.4.2 Das Exponential-Modell 2.4.3 Das Inverse Potenz Gesetz - IPL (Inverse Power Law) 2.4.4 Das Verallgemeinerte Eyring-Modell 2.4.5 Berechnung der Lebensdauer bei gestuften Beschleunigungstests am Beispiel eines gestuften Gatestresstests mit Anwendung des verallgemeinerten Eyring-Modells 3 Experimenteller Aufbau 3.1 HTRB - High Temperature Reverse Bias Test 3.2 H3TRB - High Humidity High Temperature Reverse Bias Test 3.2.1 Testaufbau des H3TRB 3.2.2 Teststrategie des H3TRB 3.3 HTGS -Hochtemperatur Gatestresstest 3.3.1 Testaufbau des HTGS 3.3.2 Teststrategie des HTGS 3.4 Testauswertung 4 Experimentelle Ergebnisse 4.1 Ergebnisse des HTRB 4.1.1 Diskrete Bauelemente - D2Pak und CanPAK 4.1.2 HTRB SiC-Bauelemente 4.2 Ergebnisse des H3TRB 4.2.1 Test von Silicon-Vergussmassen 4.2.2 Diskrete Bauelemente - D2Pak und CanPAK 4.2.3 SiC-MOSFET-Modul 4.2.4 SiC-Dioden 4.3 Ergebnisse des HTGS 4.3.1 HTGS - IGBTs 4.3.2 HTGS - SiC-MOSFET 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Daten H3TRB Projekt HiT-Modul B Verwendete Geräte B.1 Sperrmessung B.2 Thresholdspannungsmessung B.3 Mikroskop B.4 Klimakammer Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf

We report and discuss the performance of an enhancement mode n-channel pseudo-vertical GaN metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). The trench gate structure of the MOSFET is uniformly covered with an Al₂O₃ dielectric and TiN electrode material, both deposited by atomic layer deposition (ALD). Normally-off device operation is demonstrated in the transfer characteristics. Special attention is given to the estimation of the active acceptor concentration in the Mg doped body layer of the device, which is crucial for the prediction of the threshold voltage in terms of device design. A method to estimate the electrically active dopant concentration by applying a body bias is presented. The method can be used for both pseudo-vertical and truly vertical devices. Since it does not depend on fixed charges near the channel region, this method is advantageous compared to the estimation of the active doping concentration from the absolute value of the threshold voltage.