Estudio de la fiabilidad de los dispositivos hemt de gan

Resumen

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 III 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.