Bild 1: Mit WBG-Halbleitern werden leistungselektronische Systeme effizienter und sorgen damit für Fortschritte im Transportwesen sowie in der Energie- und Kommunikationsbranche.

Bild 1: Mit WBG-Halbleitern werden leistungselektronische Systeme effizienter und sorgen damit für Fortschritte im Transportwesen sowie in der Energie- und Kommunikationsbranche. (Bild: Keysight)

Die Erforschung und Entwicklung von WBG-Halbleitern (Wide Bandgap, Materialien mit großer Bandlücke) für Leistungsbauelemente führt zu technischen Fortschritten in den Automobil-, Energie- und Kommunikationsbranchen und resultiert beispielsweise in Innovationen in der Elektromobilität, führt zu energieeffizienteren Stromnetzen und verlängert Batterielaufzeiten (Bild 1). WBG-Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid  (GaN) sind technisch immer besser beherrschbar und zugleich sinken ihre Herstellungskosten, weshalb sie in vermehrtem Maße in der Leistungselektronik zum Einsatz kommen.

Bild 1: Mit WBG-Halbleitern werden leistungselektronische Systeme effizienter und sorgen damit für Fortschritte im Transportwesen sowie in der Energie- und Kommunikationsbranche.

Bild 1: Mit WBG-Halbleitern werden leistungselektronische Systeme effizienter und sorgen damit für Fortschritte im Transportwesen sowie in der Energie- und Kommunikationsbranche. Keysight

Diese Halbleitermaterialien bieten im Vergleich zu Silizium (Si), dessen physikalische Grenzen mittlerweile nahezu ausgereizt sind, überlegene Eigenschaften. Dadurch, dass Bauelemente mit WBG-Halbleitern höhere Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen und höhere Spannungen und Ströme über größere Temperaturbereiche verarbeiten können, erhöhen sie die Energieeffizienz und die Zuverlässigkeit aktueller Designs und sparen zudem Platz. Um das volle Potenzial dieser Bauelemente auszuschöpfen und erfolgreiche Endprodukte daraus zu fertigen, müssen Entwickler mehr über sie wissen, als in den Datenblättern steht.

Modellierung und parametrische Messungen

In Leistungsanwendungen, in denen es auf Energieeffizienz, hohe Leistungsdichte, hohe Schaltfrequenz und Temperaturfestigkeit ankommt, sind WBG-Halbleiter aufgrund ihrer außergewöhnlichen Materialeigenschaften dem Silizium überlegen. Bei der Bewertung von WBG-Leistungsbauteilen sind ihre im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen erweiterten Betriebsbereiche (Spannung, Strom und Temperatur) zu berücksichtigen. Zugleich ist auch unter diesen erschwerenden Bedingungen eine hinreichende Messgenauigkeit sicherzustellen.

Der Gesamt-Leistungsverlust eines MOSFET setzt sich aus drei Größen zusammen: Durchlassverlust, Treiberverlust und Schaltverlust. Treiberverluste entstehen durch das Laden/Entladen des Gates während des Schaltens und sind von der Gate-Kapazität, der Gate-Treiberspannung und der Schaltfrequenz abhängig. Der Schaltverlust kommt durch diverse Kapazitäten zustande und ist unter anderem vom Gate-Widerstand und von der Schaltfrequenz abhängig. Im Rahmen der Charakterisierung eines MOSFET ist es daher notwendig, außer der IU-Kennlinie noch weitere Parameter wie Kapazitäten und Gate-Ladung zu messen.

EckDaten

Die Nachfrage nach WBG-Halbleiterbauelementen steigt aufgrund ihrer überlegenen elektrischen Eigenschaften, die in Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen eine höhere Energieeffizienz, schnelleres Schalten und Kosteneinsparungen ermöglichen. Um die Vorteile von WBG-Halbleitern voll auszuschöpfen, müssen Wafer- und Bauteilhersteller ihre Produkte mithilfe genauer parametrischer Messungen umfassend charakterisieren, modellieren und testen. Keysight beschreibt im Beitrag, wie diese Herausforderungen gemeistert werden können – unter anderem mit der parametrischen 3-kV-Hochspannungstest-Option, die hohe Messgenauigkeit und uneingeschränkte Systemintegrität plus ein Höchstmaß an Sicherheit für Ausrüstung und Bedienpersonal gewährleistet.

Wegen der hohen Schaltfrequenzen, Betriebsspannungen und Betriebsströme von Bauteilen auf Basis von WGB-Halbleitern sind bei der Messung dieser Parameter einige Besonderheiten zu beachten. So müssen die verwendeten Messgeräte beispielsweise in der Lage sein, Durchlasswiderstände im Sub-Milliohm-Bereich zu messen. Zur Messung von Sperrschichtkapazitäten muss das Testobjekt mit einem kleinen Wechselspannungssignal im Millivoltbereich stimuliert werden, während Spannungen von mehreren Kilovolt anliegen und Ströme von einigen Hundert Ampere fließen. Noch größer sind die Herausforderungen, wenn die Charakterisierung des Bauteils über einen weiten Temperaturbereich hinweg erfolgen soll.

Parametrische (elektrische) Messungen sind der erste Schritt zum Verständnis der Bauteileigenschaften. Anhand der gemessenen Werte lässt sich ein Verhaltensmodell des Bauteils entwickeln, das dann zur Schaltungssimulation verwendet wird. Verhaltensmodelle von Bauteilen ermöglichen es Entwicklern, Designs vor Produktionsbeginn zu simulieren, zu optimieren und zu validieren. Produktions- und Prozessingenieure können mithilfe von Simulationstools und dieser Modelle die Fertigungsausbeute maximieren. Die Entwicklung genauer Verhaltensmodelle erfordert eine umfassende Charakterisierung zahlreicher statischer und dynamischer Bauteilparameter, sowohl unter normalen als auch extremen Betriebsbedingungen. Darüber hinaus sind noch weitere Aspekte  zu berücksichtigen, so zum Beispiel Testdurchsatz, Anforderungen an Waferprober-Karten und Sicherheit von Geräten und Bedienpersonal.

 

Welche Testlösungen Keysight für Leistungsbauteile bietet, beschreibt der Beitrag auf der folgenden Seite.

Testlösungen für Leistungsbauteile

Keysight bietet zwei Lösungen an, die den oben genannten Anforderungen an parametrische Messungen genügen: die Leistungsbauteilanalysatoren B1505A und B1506A. Mit diesen Geräten lassen sich alle Parameter messen, die für die vollständige Charakterisierung von WBG-Halbleiterbauelementen notwendig sind. Der B1505A ist die vielseitigere und anpassungsfähigere der beiden Lösungen und lässt sich für aktuelle und künftige Anforderungen in der Produktion optimieren.

Bild 2: Der Analysator für Leistungsbauteile B1505A lässt sich mit zahlreichen Modulen an unterschiedliche Anforderungen an Ausgangsspannung und -strom anpassen.

Bild 2: Der Analysator für Leistungsbauteile B1505A lässt sich mit zahlreichen Modulen an unterschiedliche Anforderungen an Ausgangsspannung und -strom anpassen. Keysight

Für den B1505A sind zahlreiche Module verfügbar, die unterschiedliche Anforderungen an Ausgangsspannung und Ausgangsstrom abdecken (Bild 2). Die leistungsfähigsten dieser Module liefern Ausgangsströme bis 1500 A und Ausgangsspannungen bis 10 kV. Darüber hinaus kann der B1505A winzige Ströme im Sub-Picoampere-Bereich bei hohen Spannungen messen. Geeignet ist das Gerät sowohl für On-Wafer-Messungen als auch für Messungen an gehausten Bauteilen. Die maximale Stromstärke bei On-Wafer-Messungen ist jedoch durch die Belastbarkeit der Prüfnadelkarte des Probers begrenzt.

Dynamische Parameter wie die Gate-Ladung und -Kapazität sind bei WBG-Bauteilen besonders wichtig, da deren dynamische Verluste größer sind als die statischen Verluste. Mit dem B1505A lassen sich diese Parameter bei DC-Betriebsspannungen bis 3000 V messen. Der Analysator unterstützt automatisierte Temperaturzyklusmessungen über den Bereich von –50 bis 250 °C und ermöglicht die Messung von Widerständen im Mikroohm-Bereich bei Strömen von bis zu einigen Hundert Ampere. B1505A kann gepulste Hochleistungsmessungen mit einer Pulsbreite ab 10 μs durchführen. Solche Messungen minimieren die Eigenerwärmung des Testobjekts und sind dadurch besonders genau. In Verbindung mit der High-Voltage-/High-Current-Fast-Switch-Option eignet sich der B1505A auch zur Charakterisierung des Stromkollapsphänomens von AlGaN/GaN-HEMTs.

Mit dem Analysator können Material- und Prozessingenieure schnell und genau alle Datensätze erfassen, die sie zur Optimierung des Fertigungsprozesses benötigen. Die erfassten Datensätze lassen sich zudem in Bauteilmodellierungs- und Simulationstools wie der IC-CAP-Bauteilmodellierungssoftware von Keysight importieren. Präzise Bauteilmodelle ermöglichen es Schaltungs- und Systementwicklern, ihre Designs vor Produktionsbeginn zu validieren und zu optimieren, die Leistungsfähigkeit ihrer Produkte zu verbessern und die Fertigungsausbeute zu erhöhen.

Erweiterung für Bauteil-Produktionstest

Keysight, Agilent und Hewlett-Packard bietet seit den frühen 1980er-Jahren parametrische Produktionstestsysteme an. Die jüngste Modellreihe ist die Familie 4080, die als Standard für Bauteil-Produktionstestsysteme gilt und weltweit von den meisten Halbleiterherstellern eingesetzt wird. Die Systeme ermöglichen einen hohen Testdurchsatz und können in kurzer Zeit sehr viele hochgenaue Messungen durchführen.

Bild 3: Mit dem Erweiterungskit N9175A lässt sich ein Testsystem der Familie 4080 für parametrische Hochspannungstests bis 3 kV erweitern.

Bild 3: Mit dem Erweiterungskit N9175A lässt sich ein Testsystem der Familie 4080 für parametrische Hochspannungstests bis 3 kV erweitern. Keysight

Bild 3 zeigt, wie sich ein Testsystem der Familie 4080 für parametrische Hochspannungstests von Bauelementen mit WBG-Halbleitern bis 3 kV erweitern lässt. Das Erweiterungskit N9175A umfasst alle notwendigen Zubehörteile, um den Leistungsbauteilanalysator Keysight B1505A und die Hochspannungserweiterung in den Messkopf 4080 einzubauen, sowie zusätzliche Systemsoftware. Das Erweiterungskit ist eine vollintegrierte Lösung, die das System 4080 um Hochspannungstestfunktionen erweitert, ohne dessen Fähigkeiten zur genauen Messung kleiner Spannungen und Ströme zu beeinträchtigen. Es besteht zudem die Möglichkeit, HF-/Mikrowellenmessgeräte zur Messung von S- und X-Parametern zu integrieren.

Stewart Wilson

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Business Manager bei Keysight Technologies

(na)

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