p-GaN 게이트 HEMT의 파워 사이클링 테스트 기반 수명 모델 추출 및 실패모드 분석 = Lifetime Model Extraction and Failure Mode Analysis of p-GaN Gate HEMTs Under Power Cycling Stress

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, power cycling tests (PCT) were performed on a p-GaN gate HEMT (GS66516T) to evaluate its thermal reliability and to derive a LESIT lifetime model.
For temperature monitoring based on Temperature Sensitive Electrical Parameters (TSEPs), the on-resistance (RDS,on) and the forward voltage of the gate–source diode were selected as candidate parameters, and their suitability was verified using an oven and a power cycling system. Both parameters exhibited strong correlation with temperature, confirming their applicability as TSEPs.
Using RDS,on as the TSEP, PCT was conducted under various ΔTj and mean temperature conditions. In most samples, degradation occurred when the on-state drain–source voltage drop (VDS,on) increased by 10%. Post-degradation electrical characterization revealed a decrease in threshold voltage (Vth) and an increase in C –V hysteresis, indicating that hole trapping in the p-GaN region is the dominant degradation mechanism. In some samples, solder delamination within the package led to an increase in on-resistance as well.
From the PCT results, a LESIT lifetime model with a Coffin–Manson exponent (α) of –10.74 and an activation energy (Ea) of –0.74 eV was extracted, which is consistent with the low-temperature-accelerated degradation behavior observed in p-GaN gate HEMTs. This work is expected to contribute to a deeper understanding of the degradation mechanisms and to improving the accuracy of lifetime prediction for p-GaN gate HEMTs.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 p-GaN 게이트 HEMT(GS66516T)를 대상으로 파워 사이클링 테스트(PCT)를 수행하여 열적 신뢰성을 평가하고 LESIT 수명 모델을 도출하였다. 우선 Temperature Sensitive Electrical Parameter(TSEP) 기반의 온도 모니터링을 위해 온저항(RDS,on)과 게이트–소스 다이오드의 순방향 전압을 후보로 선정하고, 오븐 및 파워 사이클링 장비를 이용해 TSEP 적합성을 검증하였다. 두 파라미터 모두 온도와 높은 상관성을 보여 TSEP로 활용 가능함을 확인하였다. 온저항을 TSEP로 적용하여 다양한 접합부 온도 구배 및 평균 온도 조건에서 PCT를 수행한 결과, 대부분의 샘플에서 온 상태 소스–드레인 전압 강하(VDS,on)가 10% 증가하는 시점에서 열화가 발생하였다. 열화 후 전기적 특성 분석에서는 문턱전압(Vth) 감소와 C–V hysteresis 증가가 관찰되어 p-GaN 영역의 hole trapping이 주요 열화 원인임을 확인하였다. 일부 샘플에서는 패키지 솔더 박리에 의해 온저항이 증가하는 현상도 나타났다. PCT 결과로부터 Coffin–Manson 지수(α) = –10.74, 활성화에너지(Ea) = –0.74 eV의 LESIT 모델을 도출하였으며, 이는 p-GaN 게이트 HEMT에서 나타나는 저온 가속 열화 특성과 일치한다. 본 연구는 p-GaN 게이트 HEMT의 열화 메커니즘 이해와 수명 예측 정확도 향상에 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론
• 2. 이론적 배경
• 2.1. 전력반도체
• 2.2. GaN
• 2.2.1. GaN HEMT
• 2.2.2. p-GaN 게이트 HEMT
• 2.3. 신뢰성
• 2.3.1. 파워 사이클링 테스트
• 2.3.2. TSEP
• 2.4. 수명 모델
• 2.4.1. LESIT 모델
• 3. 실험
• 3.1. 실험 세팅
• 3.1.1. 측정 지그 설계
• 3.1.2. 파워 사이클링 테스트 용 방열판 설계
• 3.2. TSEP 적합성
• 3.2.1. 온저항
• 3.2.2. 게이트-소스 다이오드의 순방향 전압 강하
• 3.3. K-factor calibration
• 3.3.1. 온저항
• 3.3.2. 게이트-소스 다이오드의 순방향 전압 강하
• 3.4. 파워 사이클링 테스트
• 4. 결과 및 고찰
• 4.1. 파워 사이클링 테스트 결과
• 4.1.1. 게이트-소스 다이오드의 순방향 전압 강하
• 4.1.2. 온저항
• 4.2. 수명 예측 모델 추출
• 4.3. 실패모드 분석
• 4.3.1. 문턱 전압
• 4.3.2. 온저항
• 4.3.3. TCAD 시뮬레이션
• 5. 결론