Implementation of a wafer-level test setup for reliability assessment of GaN devices

Power electronic converters play a crucial role in managing energy and have a significant impact on the efficiency and power density of electronic systems. The integration of wide bandgap semiconductors such as Gallium Nitride (GaN) represents a significant advancement in the efficiency of power electronic systems, playing a pivotal role in the advancement of electromobility and automation technology. GaN exhibits exceptional material properties that enable the production of high-speed switching, and low on-state resistance RDSon power devices. As a result, the utilization of GaN high electron mobility transistors (HEMTs) is predominantly focused on high-efficiency power supplies that operate under hard and soft switching conditions. The hard switching stress may implicate device degradation and lead to reduced operating lifetime. Therefore, the objective of this thesis is the implementation and optimization of a wafer-level setup for reliability testing of Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors under different switching conditions. The Thesis was conducted in collaboration with Infineon Semiconductor Technologies and carried out in their laboratory. The resources and facilities provided were instrumental in completing the experimental work and data analysis presented in this study. A pulse generator was developed using a Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) coded Field Programmable Gate Array (FPGA). It features multi-channel output and is designed to synchronize setup equipment and supply triggering pulses to the gate and drain of the Device Under Test (DUT). This pulse generator is capable of producing pulses with 10ns resolution across up to 16 channels simultaneously. It operates at a clock frequency of 100 MHz to replicate real-world application conditions. A Deadtime module is added for each channel to prevent false turn on/off and provide smooth transitions for the different states. The setup measures multiple parameters calculating the dynamic RDSon of the device in Hard and active/passive soft switching. Further enhancement was done with an existing setup to improve the accuracy and minimize noises on the measured signals. Additionally, a half-bridge configuration circuit is implemented and developed to provide switched high voltage to the drain of the DUT to control the switching and the stress applied to the DUT. At last, the lifetime of several devices is investigated to show the failure during hard switching below the nominal breakdown voltage and compare it with soft switching. The setup offers a user-friendly environment for a fully automatic characterization.

I convertitori elettronici di potenza svolgono un ruolo cruciale nella gestione dell’energia e hanno un impatto significativo sull’efficienza e sulla densità di potenza dei sistemi elettronici. L’integrazione di semiconduttori ad ampio gap di banda come il nitruro di gallio (GaN) rappresenta un progresso significativo nell’efficienza dei sistemi elettronici di potenza, svolgendo un ruolo fondamentale nel progresso dell’elettromobilità e della tecnologia di automazione. Il GaN presenta eccezionali proprietà del materiale che consentono la produzione di dispositivi di potenza RDSon con commutazione ad alta velocità e bassa resistenza nello stato on. Di conseguenza, l’utilizzo dei transistor GaN ad alta mobilità elettronica (HEMT) si concentra prevalentemente su alimentatori ad alta efficienza che funzionano in condizioni di commutazione hard e soft. Lo stress da commutazione eccessiva può implicare il degrado del dispositivo e portare a una durata operativa ridotta. Pertanto, l'obiettivo di questa tesi è l'implementazione e l'ottimizzazione di una configurazione a livello di wafer per il test di affidabilità dei transistor ad alta mobilità elettronica al nitruro di gallio in diverse condizioni di commutazione. La tesi è stata condotta in collaborazione con Infineon Semiconductor Technologies e realizzata nel loro laboratorio. Le risorse e le strutture fornite sono state fondamentali per completare il lavoro sperimentale e l'analisi dei dati presentati in questo studio. È stato sviluppato un generatore di impulsi utilizzando un array di gate programmabili sul campo (FPGA) codificato VHDL (Field Programmable Gate Array) per circuiti integrati ad altissima velocità. È dotato di uscita multicanale ed è progettato per sincronizzare le apparecchiature di configurazione e fornire impulsi di attivazione al gate e allo scarico del dispositivo sotto test (DUT). Questo generatore di impulsi è in grado di produrre impulsi con risoluzione di 10 ns su un massimo di 16 canali contemporaneamente. Funziona a una frequenza di clock di 100 MHz per replicare le condizioni applicative del mondo reale. Viene aggiunto un modulo Deadtime per ciascun canale per impedire false accensioni/spegnimenti e fornire transizioni fluide per i diversi stati. L'impostazione misura più parametri calcolando l'RDSon dinamico del dispositivo in modalità Hard e commutazione soft attiva/passiva. Sono stati apportati ulteriori miglioramenti con una configurazione esistente per migliorare la precisione e ridurre al minimo i rumori sui segnali misurati. Inoltre, è stato implementato e sviluppato un circuito di configurazione a mezzo ponte per fornire alta tensione commutata al drain del DUT per controllare la commutazione e lo stress applicato al DUT. Infine, viene analizzata la durata di diversi dispositivi per evidenziare il guasto durante la commutazione hard al di sotto della tensione di rottura nominale e confrontarlo con la commutazione soft. L'installazione offre un ambiente intuitivo per una caratterizzazione completamente automatica.