Dynamic tests and analysis of the bidirectional GaN switch

Silicon devices for power applications are reaching their operational limits regarding blocking voltage capability, operation temperature and switching frequency. Wide bandgap (WBG) materials are the best candidates for the next generation of power devices due to their superior material properties. Gallium Nitride (GaN) has been proved to show higher band gap (Eg), critical field (ECrit), switching frequency (fsw) and lower on-state resistance (RDS(on)), enabling better performances in terms of high voltages and switching speed. High electron mobility transistors (HEMTs) based on Al-GaN/GaN heterostructures have been widely studied: the creation of a two-dimensional electron gas (2DEG) at the AlGaN/GaN interface allows higher electrons conductivity compared to other semiconductor materials. In the last few years, many attempts of developing a monolithically integrated normally-on bidirectional GaN switch (BDS) have been made, but some issues are still affecting this kind of device. One main problem relates to the so called back gate effect, which is causing dynamic RDS(on). For proper operation of the BDS device in GaN-on-Si technology, the substrate potential has to be stabilized to follow the lowest potential of either of the source electrodes. Infineon Technologies proposed a fully passive solution for substrate potential stabilizer which reduces control circuitry complexity and cost. This thesis work aims at conceive and design a characterisation board to investigate whether the proposed substrate stabilization circuit is working consistently, that is whether the dynamic RDS(on) issue has been solved or not. A double pulse test (DPT) board and a zero voltage switching (ZVS) buck converter have been built in order to stress the device under multiple pulses and under ZVS condition.

I dispositivi in silicio per applicazioni di potenza hanno raggiunto i loro limiti operativi per quanto riguarda tensioni di breakdown, temperature di funzionamento e frequenze di switching. I semiconduttori wide bandgap (WBG), grazie alle loro migliori proprietà fisiche e chimiche, sono i principali candidati per una generazione futura di dispositivi di potenza. É stato dimostrato che il nitruro di gallio (GaN) è caratterizzato da un elevato band gap (Eg), campo elettrico critico (ECrit), frequenza di switching (fsw) e da una minore resistenza tra source e drain nello stato ON (RDS(on)). Queste proprietà consentono di raggiungere migliori performance in termini di alte tensioni e velocità di switching. I transistors ad effetto di campo ad alta mobilità elettronica (HEMTs) basati su eterostrutture AlGaN/GaN sono stati ampiamente studiati: la formazione del two-dimensional electron gas (2DEG) all'interfaccia AlGaN/GaN permette una maggiore conduttività degli elettroni rispetto agli altri materiali semiconduttori. Negli ultimi anni sono stati diversi i tentativi di sviluppare uno switch bidirezionale (BDS) integrato e normalmente-ON in GaN, ma sono diversi i problemi che continuano ad affliggere questo tipo di dispositivo. Uno di questi è il cosiddetto effetto back-gate, che causa RDS(on) dinamica. Per operare correttamente il BDS in tecnologia GaN-on- Si, il potenziale del substrato dev'essere stabilizzato connettendolo elettricamente all'elettrodo del source a potenziale minore. Una soluzione interamente passiva per stabilizzare il potenziale del substrato è stata proposta da Infineon Technologies, che permette di ridurre complessità e costi del controllo circuitale. Il lavoro di questa tesi mira a ideare e progettare una scheda di caratterizzazione per dimostrare se il circuito di stabilizzazione del substrato proposto funziona in maniera consistente, o in altre parole, per dimostrare se il problema di RDS(on) dinamica è stato risolto. Una double pulse test (DPT) board e un zero voltage switching (ZVS) buck converter sono stati assemblati per stressare e testare il dispositivo con multipli pulses e in condizioni di ZVS.