TY - THES A1 - Beleniotis, Petros T1 - Physics-based trap modeling of GaN HEMTs T1 - Physikbasierte Trap-Modellierung von GaN-HEMTs N2 - Gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs) have emerged as the preferred choice for telecommunication system designs, owing to their superior power levels compared to their silicon counterparts, especially at high frequencies and in harsh environments. Despite these advantages, reliable GaN HEMTs have been impeded by challenges such as electron trapping, which significantly impairs transistor functionality. Accurately modeling these effects is essential for the successful deployment of GaN-based designs. Over the past 15 years, the focus has been on empirical models suitable for circuit design. These models often result in a disconnect between modeling and technological advancements, thereby limiting further optimization of device performance. This study presents a novel trap model for GaN HEMTs that combines accuracy with physical principles. The model is broadly applicable, enabling the simulation of current collapse and knee walkout under various bias conditions, and is adaptable to RF applications with exceptional accuracy, through different trap-circuit configurations. The first model configuration is effective in simulating small- and large-signal continuous-wave (CW) RF measurements. It accurately mimics the slow response of electrons in traps to voltage reductions, ensuring efficient performance in simulations where traps maintain a steady state. Its accuracy has been validated through multiple measurements, including pulsed IV, S-parameter measurements, RF power sweeps, and load pull contours. Its development was enhanced by integrating experimental data and theoretical insights, which improved its accuracy and facilitated the development of additional analytical tools, such as statistical and compact modeling for trap localization. The second configuration is advantageous for pulsed RF and switching applications, as well as high-temperature environments. This configuration enables precise characterization of the swift capture time constant, a capability previously unattainable with conventional measurement techniques. Its development followed a systematic approach, beginning with the characterization of trap levels within the band gap of the devices, followed by the application of TCAD simulations to locate the position of traps and assess their impact on device performance. Ultimately, the second trap model configuration incorporates Shockley-Read-Hall (SRH) statistics to model temperature- and bias-dependent trapping, aiming to simulate the slow gate-induced trapping observed in rugged GaN-based low-noise amplifiers (LNAs). The inclusion of SRH statistics addresses significant challenges in GaN HEMT trap modeling. N2 - Galliumnitrid (GaN) High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMT) haben sich als vorteilhaft für die Entwicklung von Telekommunikationssystemen herausgestellt, da sie im Vergleich zu Silizium eine höhere Leistung aufweisen, insbesondere bei hohen Frequenzen und in rauen Umgebungen. Trotz dieser Vorteile wird die Zuverlässigkeit von GaN-HEMTs durch Probleme wie Elektroneneinfang in Traps behindert, welches die Transistorfunktion erheblich beeinträchtigt. Die genaue Modellierung dieser Effekte ist für den erfolgreichen Einsatz in GaN-basierten Schaltungen unerlässlich. In den letzten 15 Jahren lag der Schwerpunkt auf empirischen Modellen. Diese Modelle führen häufig zu einer Diskrepanz zwischen der Modellierung und dem realen Verhalten infolge der technologischen Fortschritte, was die weitere Optimierung der Bauelementleistung einschränkt. In dieser Studie wird ein neuartiges Trap-Modell für GaN-HEMTs vorgestellt, das Genauigkeit mit physikalischen Prinzipien verbindet. Das Modell ist vielfältig anwendbar und ermöglicht die Simulation des Stromkollapses und des Knee-walkouts bei verschiedenen Vorspannungsbedingungen. Es ist durch unterschiedliche Modellkonfigurationen mit hoher Genauigkeit für spezielle HF-Anwendungen anpassbar. Die erste Modellkonfiguration eignet sich für die Simulation von HF-Messungen mit kleinen und großen Signalen im Dauerstrichbetrieb. Sie ahmt die langsame Reaktion von Elektronen in Traps auf Spannungsreduzierungen genau nach und gewährleistet eine effiziente Beschreibung des elektrischen Verhaltens, wenn die Traps ihren Ladezustand beibehalten. Die Modellgenauigkeit wurde durch mehrere Messungen überprüft, darunter durch gepulste Strom-Spannungs- und S-Parameter-Messungen, HF-Leistungsvariations- und Load-Pull Kontur-Messungen. Die zweite Modellkonfiguration ist vorteilhaft für gepulste HF- und Schaltanwendungen sowie für Hochtemperaturumgebungen. Diese Konfiguration ermöglicht eine präzise Beschreibung der schnellen Einfangzeitkonstante der Traps, eine Fähigkeit, die bisher bei konventionellen Messtechniken nicht verfügbar war. Die Entwicklung folgte einem systematischen Ansatz, beginnend mit der Charakterisierung der Trapenniveaus innerhalb Bandlücke der Halbleiterbauelemente, gefolgt von der Anwendung von TCAD-Simulationen zur räumlichen Lokalisierung der Traps und zur Bewertung ihrer Auswirkungen auf die Bauelementfunktion. Letztendlich beinhaltet die zweite Modellkonfiguration die Shockley-Read-Hall(SRH)-Statistik, um temperatur- und vorspannungsabhängiges Trapping zu modellieren, mit dem Ziel, das langsame Gate-induzierte Trapping zu simulieren, das in robusten rauscharmen GaN-Verstärkern (LNAs) beobachtet wird. Durch die Einbeziehung der SRH-Statistik wird den erheblichen Herausforderungen bei der Modellierung von GaN-HEMT-Traps entsprochen. KW - Shockley-Read-Hall KW - GaN HEMT KW - Microwaves KW - Compact models KW - Trapping effects KW - Mikrowellen KW - Kompaktmodelle KW - Trapping-Effekte KW - HEMT KW - Galliumnitrid KW - Mikrowelle KW - Modellierung KW - Elektron Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69331 ER -