来历：电子电力试验室。
作者：诸葛英健。
本文转自：IEEE TRANSAC。TI。ONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 71, NO. 3, MARCH 2024。
作者：M. Buffolo et al.。
本文由帕多瓦大学的G. Meneghesso教授和E. Zanoni教授等人协作编撰。本文针对当时及下一代。电力电子。范畴中市售的碳化硅（SiC）与。氮化镓。（GaN）。晶体管。进行了全面总述与展望。首要评论了GaN与SiC器材的资料特性及结构差异。根据对市售GaN与SiC功率晶体管的剖析，描绘了这些技能的现状，要点论述了各技能渠道的首选功率改换拓扑及要害特性。一起回忆了GaN与SiC器材的当时及未来运用范畴。文章还陈述了与这两种技能相关的首要牢靠性问题：针对GaN HEMTs，描绘了。阈值电压。安稳性、动态导通电阻及击穿约束；针对SiC。 MOSFETs。，则聚集于栅极氧化层失效与短路（SC）鲁棒性。终究，本文展望了这些资料在不同范畴的运用远景，并提出了未来或许的改善方向，强调了对混合改换器的需求以及功用优化与立异东西的结合。
01导言。
当时，削减对化石燃料的依靠是缓解气候变化的要害方针。在此布景下，电力电子改换器的功率进步、可再生能源的运用以及各类车辆与体系的。电气。化发挥着至关重要的效果[1]。详细而言，进步功率改换器的功率可削减能量损耗，然后进步现有体系（如。电源。、暖通空调体系等）的全体功率。这是一种无需出资新根底设施即可明显节能的经济有用办法。近年来，电气化趋势在车辆、厨房电器及环境加热体系等高功率日常设备中尤为明显，使得功率进步更为火急[2]。这一需求在需求多级能量改换（如。ac。-。dc。、dc-dc等）的范畴（如轿车或光伏体系）中尤为重要。选用根据新型资料的晶体管可大幅进步功率改换器的功率，其功用与牢靠性均优于传统硅器材。
应对这一应战的极具远景的途径是运用宽禁带（WBG）。半导体。。凭仗其特性，这类资料可制作出在许多场景下优于现有硅基器材的电力电子器材（晶体管、。二极管。）。表I列出了首要WBG半导体资料的物理特性及其与硅的比照。与硅比较，WBG资料具有更高的临界电场，支撑更高电压的功率改换器，一起兼具低导通电阻与高导热性。在很多WBG半导体中，碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）因功用优异、技能老练且已完成产业化，成为。高压。开关器材的首选。现在，多种商用器材已问世并运用于许多范畴。此外，氧化镓、金刚石及氮化铝等资料虽具有研讨价值，但其老练度仍不足以支撑短期产业化。虽然如此，这些资料在特定运用中潜力巨大，未来WBG半导体将在电力电子商场中占有更重要的位置。根据各资料的共同性，估量不同技能将共存，各自聚集特定运用场景。
表1. 用于电力电子的半导体的资料特性。
02市售器材。
历史上，WBG半导体中最早引起电力电子范畴重视的是SiC。这首要归因于其与硅的强相似性，使得现有器材结构可快速移植。此外，SiC的天然氧化物SiO₂已在硅基电子范畴得到深化研讨，推进了SiC技能的快速开展。自电力电子范畴研讨发动约十年后（1990年前后），首款SiC肖特基二极管完成商用[4]。尔后，技能继续改善使SiC。 MOSFET。、JFET及二极管的耐压规模扩展至1700 V。
GaN开端运用于发光二极管（。LED。），至1990年左右开端进入电力电子范畴，首款GaN晶体管于1991年问世[5][6]。但是，GaN缺少相似SiC的工业根底，技能开发耗时更长。GaN的优势经过AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）体现：其天然二维电子气（2DEG）可完成低导通电阻与高开关频率。首款商用GaN功率FET较SiC晚十年问世[7]。现在，GaN HEMTs的耐压已进步至1200 V，但干流产品仍以650 V及以下为主。
1商用SiC与GaN功率管。
商用功率晶体管需满意三大要求：1)耐高压与高功率；2)低开关与导通损耗；3)常关型（Normally-OFF）操作。WBG资料的固有特性使其可满意前两项要求，但SiC与GaN的器材结构存在明显差异。
当时市售SiC晶体管首要包含两种结构：笔直MOSFET（平面或沟槽栅）与级联笔直JFET（如图1(a)-(c)）。两者均完成常关操作。而GaN HEMT实质为常开型器材，需经过p-GaN栅极仓库（如图1(d)）或级联装备（如图1(e)）完成常关操作。现在，这两种是市售GaN FET的干流拓扑。
图1. 商用SiC和GaN功率晶体管中运用的不同半导体结构。( a ) SiC笔直平面栅耗尽型MOSFET。( b ) SiC笔直双沟槽MOSFET。( c ) SiC笔直共源共栅JFET。( d ) GaN p - GaN栅HEMT。( e ) GaN共源共栅HEMT。
2典型电压运用规模。
现在，SiC器材掩盖650、900、1000、1200及1700 V等多个电压等级，部分产品集成。栅极驱动。或温度传感功用。GaN的电压规模从15 V至1200 V，但高压范畴（>650 V）商场份额有限，仅单个厂商供给900 V与1200 V产品。高于900 V时，SiC仍是首选。GaN厂商还供给集成栅极驱动的单芯片处理计划，以下降电感、进步开关速度并优化热维护。
3600/650 V规模内的SiC与GaN功率管。
为深化比照市售产品，表II列出了650 V规模内SiC、GaN及硅器材的要害参数。其间，GaN e-mode HEMTs的RON×QG（FOM）较SiC与硅器材进步至少四倍（从>1500 mΩ·nC降至。<300 mΩ·nC），输入电容（CIN）与反向恢复电荷（Qrr）亦显著优化。雷达图（如图2(a)-(b)）显示，GaN e-mode HEMTs在动态性能上表现更优，而级联GaN HEMTs因含硅MOSFET，开关速度略逊。
图2 .650V额外SiC、GaN和Si器材的比较的雷达图。
表2. 在600 / 650 V电压规模内，来自不同厂商的商用SiC和GaN功率管。
高压范畴（900-1200 V）的比照（如图3）标明，GaN仍具动态功用优势，但其高压器材的牢靠性与功用仍需优化。本钱方面，650 V硅器材最廉价，GaN与SiC器材价格别离高30%与50%，但全体对BOM影响有限。模块化规划可进一步下降寄生参数，进步功率密度。
图3 .表II中陈述的650、900和1200 V级SiC、GaN和Si器材的雷达比照图。
03运用场景。
与硅基器材比较，SiC与GaN功率晶体管具有更小的尺度（得益于>3 MV/cm的更高击穿电场）和更高的工作温度耐受性（得益于更宽的禁带宽度）。其导通损耗也因更低的RON而削减，然后进步功率改换器的全体功率，并削减散热体系需求。从动态功用看，更低的输入。电容。与栅极电荷简化了驱动规划，支撑更高频率和更低损耗的操作。SiC与GaN扩展了硅MOSFET、。IGBT。和超结硅MOSFET的功率与频率适用规模（如图4所示）。
经过选用SiC与GaN器材完成的高效dc-ac与dc-dc改换器，可明显减小电子元件的分量与体积，这对电动轿车（EV）等电池供电运用至关重要，一起进步功率密度[10]。
图4 .不同功率器材的频率和功率。
1现有运用。
虽然SiC与GaN基晶体管在多方面具有优势，但其运用没有掩盖一切潜在获益范畴。现在，这两种器材在以下两个首要范畴体现杰出：
•SiC器材：广泛用于混合动力与电动轿车的牵引。逆变器。（。特斯拉。自2017年起选用SiC晶体管[15]），并少数运用于超跑与赛车的车载充电器（OBC）和牵引逆变器。SiC晶体管当时首要面向轿车商场。
•GaN器材：常用于。智能手机。与。电脑。的电源适配器与充电器，其高开关频率使根据GaN的ac-dc改换器体积较硅基计划缩小三倍。GaN晶体管在高端光伏逆变器中亦有少数运用，标明当时GaN功率器材更侧重于。消费电子。范畴。
2未来运用。
跟着本钱继续下降与耐压才能进步，SiC与GaN将进一步浸透当时由硅器材（如MOSFET、IGBT、GTO和。晶闸管。）主导的范畴。详细运用方向将取决于方针电压等级（如图5所示）。
低于400 V：GaN估量主导商场，包含家用电源电压规模（单相与三相体系），包含家电、消费电子（。手机。、电脑及其充电器）与数据。中心。电力电子。
400–1200 V：SiC与GaN将协同共存，详细挑选取决于运用功率等级。此电压规模包含可再生能源逆变器、工业。电机操控。及轿车电气化相关运用。轿车范畴对两者均具吸引力，因高效、紧凑的功率电子部件可进步车辆续航与功用（如图6所示的混合/电动轿车电气架构）。
高于1200 V：SiC将主导电力牵引、风力发电与。智能电网。运用。例如，铁路牵引体系电压可达kV级（惯例列车最高5 kV），SiC器材可代替硅基GTO与IGBT，进步功率。此外，SiC还可运用于25 kV级高速列车体系。
图5. GaN和SiC功率器材的或许的运用范畴。
图6 .混合动力/电动轿车的首要电气和电子模块。
3电路拓扑。
当时运用中，电路拓扑的挑选取决于电压、功率与开关频率需求：
GaN运用示例（。USB。-C适配器）：
功率。<70 W：常用准谐振反激（quasi-resonant flyback）或有源钳位反激拓扑，开关频率限制在300 kHz以下以避免电磁干扰（EMI）。
功率>250 W：选用软开关或零电压开关（ZVS）拓扑（如谐振LLC拓扑），运用GaN的低栅极电荷、输出电容与反向恢复电荷优势进步功率。GaN器材支撑无二极管H桥装备，反导游通损耗更低[16]。
功率密度：GaN规划可完成1.5–1.9 W/cm³，2015年谷歌LittleBox应战赛获奖规划达8.7 W/cm³[18]。
SiC运用示例：
高功率模块：选用桥式或斩波拓扑（轨道交通），用于兆瓦级逆变器。光伏逆变器常用两电平六管根底拓扑或更高效的三电平T型中点钳位拓扑[19]。
混合规划：将SiC二极管集成至传统改换器，运用其快速反向恢复与高温耐受性优化功用[21]。
04技能应战。
虽然SiC与GaN器材已在多个运用场景中展示优势，但其牢靠性与功用仍需继续优化。以下分述两类器材的要害技能应战：
1GaN与SiC晶体管的阈值电压漂移。
功率晶体管开发中的要害应战之一是缓解运转过程中阈值电压(Vth)的非预期漂移（正向或负向）。以常关型器材为例，正向Vth漂移会下降过驱动电压，导致导通电阻Ron添加，乃至或许触发器材过早关断。负向Vth漂移则或许导致更严峻的结果，例如误敞开或无法保持关断状况，然后引发电源线路间的短路（SC），终究导致体系灾难性毛病或不安全工况。
关于硅基器材，此类问题已经过老练技能（如共源共栅装备）得到有用操控。但是，关于宽禁带资料器材，这一问题仍需处理。研讨Vth漂移的典型办法包含偏置温度不安稳性（BTI）测验，即在栅极施加正偏压（PBTI）或负偏压（NBTI）并结合不同温度条件。关于未优化的增强型GaN HEMT，正偏压应力下或许经过不同机制一起引发正向和负向Vth漂移（见图7）。
经过优化栅极堆叠工艺，可平衡电子或空穴的捕获效应，然后安稳Vth。Vth漂移首要由界面及器材内部缺点引发的载流子捕获现象导致（见图8）。因而，进步界面质量与资料纯度是缓解此类问题的要害[24-26]。
此外，关断状况下的高压偏置也或许诱发Vth漂移。例如，Chen等人[27]发现，在VD=200 V时，Vth正向漂移可达1 V。此类漏极诱导的漂移机制没有被充沛研讨，是未来探究的要点方向。
图7 . 正偏压下p-GaN栅HEMT中电子与空穴捕获机制导致的（a）正向及（b）负向阈值电压漂移（参阅t = 10 μs时的初始阈值电压值）。
图8 . SiC（a）与GaN（b）功率晶体管栅堆叠中的载流子捕获机制比照。
SiC MOSFET因其选用老练的SiO2栅介质而具有优势，但SiC-SiO2界面质量仍逊于Si-SiO2，导致更多缺点与捕获现象。在PBTI应力下，4H-SiC MOSFET一般体现出正向Vth漂移（起伏远低于GaN器材），但在高压高温下漂移量可达1-5 V。此现象归因于电子隧穿至近界面氧化物圈套。部分研讨[29-31]还观察到漂移动态分两阶段（见图9）：
初始正向漂移：遵从对数时刻依靠性，与界面捕获相关；
后续负向漂移：由氧化物内磕碰电离产生的空穴引发，体现为指数时刻依靠性。
图9. 4H-SiC n-MOSFET在室温正偏压应力下的非单调阈值电压漂移。
2GaN器材的动态导通电阻添加。
共源共栅和增强型GaN HEMT面对的要害应战之一是在关断或半导通状况下导通电阻的可逆性添加。关于功率晶体管，关断状况下漏极接受的高压会导致电子注入外表态[32]或缓冲圈套[33]，然后下降沟道电导率，引发Ron升高。此外，漏极应力下电子捕获与空穴生成（如缓冲层电子转移至沟道产生空穴）的相互效果[34]，以及半导通状况（器材开关过程中必经的操作点）会进一步加重导通电阻的不安稳性。
按捺Ron添加的一种办法是选用混合漏极（HD）[35]，即在漏极触摸中嵌入p-GaN层，在关断和半导通状况下注入空穴以抵消电子捕获效应，然后保持导通电阻。Fabris等人[36]经过试验验证了该办法的有用性，剖析了不同漏极静态偏置下的Ron。
3GaN晶体管的击穿机制。
在功率改换器的开关操作中，多种击穿机制或许导致固态开关的灾难性失效。GaN FET需针对一切击穿机制进行优化，以进步额外电压和寿数。
1）栅极相关击穿。
•共源共栅GaN FET：栅极结构与硅基MOSFET相似，或许产生时刻依靠性介质击穿（TDDB）[37]。
•增强型GaN FET：即便无栅介质层，正偏压仍会导致时刻依靠性退化与击穿[38]。
2）漏极-衬底击穿。
GaN-on-Si器材在电压远超额外值（一般>1000 V）时易产生漏极-衬底击穿[39]。改善办法包含：
•部分衬底去除[39]；
•低本钱代替计划：选用蓝宝石衬底代替硅衬底（Gupta等人[40]已完成1200 V GaN器材）。
3）雪崩击穿特性。
GaN HEMT的磕碰电离系数远低于Si/SiC MOSFET，因而其雪崩行为不同。但其动态击穿电压（与关断脉冲时长相关）可明显高于额外值[41,42]，并体现出优异的浪涌才能[43]。需进一步量化其在开关瞬态过压事情中的鲁棒性。
4G。aN晶体管的其他应战。
因为GaN技能仍处于前期开展阶段[44]，以下问题仍需深化研讨：
短路与浪涌能量才能。
•短路测验：增强型与共源共栅GaN器材或许体现出不同的退化/失效机制。
•浪涌能量：与过压鲁棒性严密相关，但GaN HEMT无雪崩才能（Si/SiC器材依靠雪崩能量[47]）。GaN器材一般经过规划高动态击穿电压来应对过压瞬态[44]。
5SiC MOSFET的栅氧化层失效。
SiC MOSFET的栅氧化层失效是牢靠性要害问题，首要机制包含：
失效机制。
1.场驱动失效：外场效果下化学键弱化；
2.电荷隧穿失效：因SiO2/SiC间带偏移较小，隧穿。电流。更易产生。
•福勒-诺德海姆隧穿（高场强、低温）；
•热辅佐隧穿（低场强、高温）[49]。
牢靠性评价办法。
•时刻到失效（T。TF。）：经过恒压应力测验评价TDDB，核算栅介质寿数[37]。
•电荷到击穿（QBD）：施加恒流应力，核算击穿前总电荷量[48]。
测验注意事项。
•过估量危险：高场强下圈套生成/捕获或许导致寿数评价偏长[48-50]。
•安全操作区（SOA）：界说栅介质的应力场强-温度规模，保证功用契合标准[51]。
职业标准。
•轿车范畴要求栅氧化层寿数达108秒量级。2020年测验显现150°C下t63%（63%器材失效时刻）>106秒[50]；2021年研讨进一步验证t63%>108秒[29]。
6SiC MOSFET的短路功用。
短路测验用于评价器材在苛刻工况下的耐受才能，要点重视参数：
要害方针。
•短路耐受时刻（τSC）：SiC MOSFET需代替τSC≈10μs的Si IGBT。自2013年合格后[55]，仍需体系性优化。
•临界能量（EC）：器材存储的临界能量。
•短路安全操作区（SCSOA）：经过电压/电流波形剖析界说（见图10）[54]。
功用进步技能。
•源极。电阻。法：削减过驱动电压以下降电流，但需平衡导通/开关功用[56]。
•Baliga短路改善概念（B。aSIC。）：用Si MOSFET代替源极电阻，明显进步功用[57,58]。
•结构优化：平面DMOSFET比沟槽结构更具短路优势[59]。
图10. 带/不带源极电阻MOSFET的短路波形比照（CM1、CM2波形显现电流峰值与均值下降）。
05展望。
当时，SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）器材均处于先进的开发阶段。两者均已完成商业化运用，并因其在功率、鲁棒性和功率密度方面相较于硅基器材的明显进步而备受赞誉。未来，针对这两种资料的研讨将继续推进，以处理现存问题、进步牢靠性并进一步增强其优势。
根据前文剖析，若将单一资料视为功率器材的最佳挑选（如硅在。集成电路。职业的位置），这一观念并不正确。实际上，GaN与SiC各具共同功用，可别离优化特定运用场景。例如，SiC可以制作高鲁棒性器材，适用于大功率开关改换器；而GaN HEMT则以速度和超高效著称，这对进步中低功率改换器的功率/体积比至关重要。
1GaN器材。
未来GaN的方针是打破更高电压（如1200 V以上）。为完成这一方针，需开发立异的半导体结构（如笔直GaN晶体管）及高性价比衬底。现在，笔直GaN晶体管没有到达广泛商业化所需的老练度。但是，此类器材（包含FinFET、MOSFET和JFET）的推出有望完成比SiC更低的导通电阻（RON），一起统筹雪崩和短路功用。
2SiC器材。
SiC的优势在于其结构简略且功用杰出，一起获益于硅基电子技能中SiO2的老练经历。这使其可以有用操控圈套现象、阈值电压安稳性及击穿功用。未来，SiC器材将在传统范畴（如。轿车电子。）和新式范畴（如列车牵引、。智能。电网高压运用）中处理更高功率。例如，得益于功率进步，列车牵引可转向电池供电；而智能电网中的高压运用将支撑立异电网办理技能。
3多资料协同与体系级规划。
在高端运用中，GaN、SiC乃至硅器材的共存或许成为完成最优功用与本钱平衡的要害。数学优化东西（如Burkart和Kolar等人[60]提出的多方针优化办法）可经过准确建模，充沛发掘不同半导体资料的优势。此外，在高强度运用中，多器材串联或并联需结合体系级规划，要点重视热办理、电流/电压均衡等问题。失衡或许导致静态/动态功用动摇[61]，引发导通/开关损耗不均、瞬态电流散布失衡等问题，乃至需降额运用以保持安全操作区（SOA）[62]。
06定论。
本文总述了商用GaN与SiC功率晶体管的现状。首要比照了两者的资料特性与结构差异，并以650 V器材为例打开剖析（该电压规模内GaN、SiC与硅器材共存）。数据显现，GaN器材在RON× QG（导通电阻与栅极电荷乘积）、输入电容及反向恢复电荷等方针上体现最优；而SiC器材虽略逊于GaN，但仍明显优于硅基MOSFET。
GaN在高压范畴功用更优，但其开展仍受限于技能和牢靠性问题。在此电压/功率规模内，SiC凭仗丰厚的商场化产品成为可行代替计划。
当时，GaN器材首要运用于消费电子、数据中心电源及家用电器；GaN与SiC的共存场景包含光伏和轿车电子；而SiC将主导大功率高压范畴（如智能电网、列车牵引）。
SiC器材在运转中体现出高安稳性，阈值电压漂移极小且无动态导通电阻效应，适用于恶劣环境（寿数与短路才能挨近IGBT）。GaN虽具有更快的开关速度，但>1000 V规模的牢靠性仍需优化。现在商场已有部分高牢靠性GaN器材[63]。
结语。
GaN与SiC功率器材将根据运用需求构成互补格式，高频与高压特性别离适配不同场景。与硅基器材的竞赛将推进第三代半导体在功率、牢靠性和本钱三方面的继续优化，加快电力电子体系改造。
相关文章