SiC和GaN，现状与展望

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编者按

在本文中，我们对市场上可用于当前和下一代电力电子的碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 晶体管进行了全面的回顾和展望。首先讨论了 GaN 和 SiC 器件之间的材料特性和结构差异。基于对不同商用 GaN 和 SiC 功率晶体管的分析，我们描述了这些技术的最新进展，重点介绍了优先功率转换拓扑和每个技术平台的关键特性。

文中，我们还回顾了 GaN 和 SiC 器件的当前和未来应用领域。本文还报告了与这两种技术相关的主要可靠性方面。对于 GaN HEMT，描述了阈值电压稳定性、动态导通电阻和击穿限制，而对于 SiC MOSFET，分析还侧重于栅极氧化物（gate oxide）故障和短路 (SC) 稳健性。

最后，我们概述了此类材料在不同领域中的前景。并指出了这两种技术未来可能的改进和发展。强调了混合转换器（hybrid converters）的要求以及性能的精心优化和创新优化工具的使用。

此外，我们需要说明一下，该文写于2024年四月，因此里面关于一些当前的进展可能稍微有点不同，但不影响对整个产业的评价。

简介

如今，减少对化石燃料的依赖是缓解气候变化的关键目标。在此背景下，电力转换器（electric power converters）的效率、可再生能源的使用以及各种车辆和系统的电气化发挥着至关重要的作用。

具体而言，提高电力转换器的效率是一种节约能源的方法，否则这些能源将会流失，从而提高已经广泛采用的系统（如电源、暖通空调系统等）的整体效率。这是一种非常经济有效的方式，无需投资新的基础设施即可节省大量能源。

在过去的几年里，人们已经观察到电气化的普遍趋势，尤其是在高功率日常用品中，例如车辆、厨房用具和环境加热系统，这使得这种效率改进变得更加紧迫。在所有存在多个转换步骤（从交流到直流、从直流到直流等）的领域，例如汽车或光伏系统，这一点尤为重要。使用基于新材料的晶体管可以大幅提高电源转换器的效率，与更传统的硅器件相比，这些基于新兴材料的晶体管具有更好的性能和可靠性。

应对这一挑战的一个非常有希望的方法是使用宽带隙 (WBG) 半导体。由于这些材料的特性，它们可以制造电力电子器件（晶体管、二极管），在许多情况下，这些器件的性能优于目前可用的 Si 基器件。表 I 报告了最相关的 WBG 半导体的物理特性以及与硅的比较。

与硅相比，WBG 材料提供了更高的临界电场，从而可以实现在更高电压下工作的功率转换器，同时提供低导通电阻和高热导率。在感兴趣的 WBG 半导体中，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 为实现用于电源转换器（直流交流逆变器和直流直流转换器）的高压开关提供了出色的性能，最重要的是，它们具有最高的成熟度和工业化水平：因此，目前已有多种商用设备可用，并且已被用于许多应用。

除了 SiC 和 GaN 之外，从研究角度来看，其他 WB 半导体（例如氧化镓、金刚石和氮化铝）也引起了人们的极大兴趣，但它们目前的成熟度水平仍然阻碍了旨在短期内投放市场的工业投资。尽管如此，这些材料对于特定应用具有重要意义，并且已经展示了可用的设备。未来，WB 半导体将在电力电子市场中占有更大的份额。由于各个材料的特性，我们应该期待不同技术的共存，每种技术都侧重于特定的应用。

从这个角度来看，本文描述了目前最先进的商用SiC和GaN功率晶体管的当前特性。在第二部分中，我们从分立器件的角度描述了当前的市场状况，通过比较SiC和GaN晶体管（主要在650V范围内），并强调了基于这两种材料和硅基器件之间的主要区别；在第三部分中，我们描述了此类半导体器件的当前和未来应用；在第四部分中，我们讨论了SiC和GaN进一步发展中面临的挑战，以及可预见的应用领域；最后，在第五部分中，我们介绍了关于这两种材料的观点。

商用设备

从历史上看，第一个引起电力电子领域兴趣的 WBG 半导体是 SiC。这主要是因为它与硅具有很强的亲和力，这使得可以轻松复制已经固化的器件结构。此外，SiC 具有SiO2作为天然氧化物，其特性和加工技术已经从对硅基电子器件进行的深入而广泛的研究中得到了深入研究。因此，可以快速启动 SiC 技术的开发。在电力电子领域开始研究这种材料十年后，即 1990 年左右，第一个 SiC 肖特基二极管得以商业化。从那时起，技术的不断改进使 SiC 在高达 1700 V 的电压范围内上市，用于 MOSFET、结型场效应晶体管 (JFET) 和二极管。

GaN 的历史始于发光二极管 (LED) 领域，并在 1990 年左右开始引起电力电子领域的关注，当时的 SiC 晶体管首次演示可追溯到 1991 年。然而，与 SiC 的情况不同，GaN 并没有工业知识，因此需要更长的时间来获取和稳定该技术。AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 充分利用了 GaN 的优势：由于存在原生 2-D Electron Gas (2DEG)，这种器件可以实现低导通电阻和高开关频率晶体管。第一个商用 GaN 功率场效应晶体管 (FET) 由 Zhong 等人引入市场，比第一个商用 SiC 器件晚了十年。如今，得益于研究和工业层面的不断努力，市场上可以找到额定电压高达1200V的 GaN HEMT，尽管大多数可用产品的额定电压为650V或以下。据作者所知，目前还没有市场上销售的分立式 GaN 功率二极管。

A

商业 SiC 和 GaN 功率晶体管

要实现商业化，功率晶体管必须满足三个主要要求：1) 能够维持足够高的电压和功率；2) 具有低开关和传导损耗；3) 实现常关操作。所分析的 WBG 半导体的固有特性使其适合制造与前两个约束兼容的器件，即使用于实现这一目标的结构在 SiC 和 GaN 之间存在显著差异。

关于基于 SiC 的晶体管，如今，市场提供了两种不同的解决方案：垂直 MOSFET（具有平面或沟槽栅极）和共源共栅垂直 JFET。这两种结构都满足常关操作的要求，分别如图 1(a)-(c) 所示。

相反，GaN 允许实现 HEMT，正如已经讨论过的。然而，AlGaN/GaN HEMT 是一种常开器件，不适用于故障安全电源应用。为了实现常关操作，目前广泛采用两种有效技术：1) 使用 p-GaN 栅极堆栈，如图 1(d) 所示；2) 使用共源共栅配置 ，如图 1(e) 所示。目前，在文献中提出的许多其他拓扑中，这是市场上仅有的两种 e-mode GaN FET 拓扑。这些 GaN 和 SiC 拓扑的主要优点和缺点将在后面讨论。

B

典型应用电压范围

目前，SiC 采用高压功率晶体管，涵盖多个电压等级：650、900、1000、1200 和 1700 V。此外，供应商还提供购买集成栅极驱动器（同一封装中的硅驱动器）晶体管和带温度传感的完整功率模块的可能性。

相反，GaN 覆盖了从 15V 到 1200 V 的宽电压范围。然而，就高电源电压而言，基于 GaN 的器件的传播几乎完全局限于 650 V 范围，因为市场上仅提供一家供应商的 900 V 解决方案和一家供应商的 1200 V 级解决方案：在900V以上，基于 SiC 的晶体管仍然是功率转换电路设计的首选。至于 SiC，供应商还提供集成栅极驱动器的晶体管，以及完整的功率模块。此外，GaN 供应商还提供了购买具有单片集成驱动器的晶体管的可能性，这一点至关重要：

1）为了减少栅极环路电感（以最大限度地减少导通期间的栅极应力）；2）为了减轻共源电感（以实现更高的压摆率）；3）允许设计高效的热和电流保护电路。

C

600/650 V 范围内的 SiC 和 GaN 晶体管

为了进一步了解并更好地理解市售解决方案之间的差异，我们决定比较 650 V 范围内的 SiC 和 GaN 分立晶体管，以及一些额定电压更高的产品，以进行更全面的分析。表 II 报告了从比较设备的数据表中提取的主要参数，这些设备来自不同的制造商（非详尽列表）。选择基于连续漏极最大电流能力（30A到50A之间）和典型导通电阻值（约50mΩ），以便进行公平比较。

关于 650 V 范围，比较了不同的 SiC FET、GaN FET 和一个 Si MOSFET。RON×QG品质因数 (FOM) 代表了评估 FET 效率的广泛传播的指标，因为它考虑了传导和开关损耗。

从设计角度来看，很难同时降低导通电阻和总栅极电荷，因此该 FOM 是一个很好的比较基础（尽管它不是唯一可以依赖的基础）。其中，GaN e-mode HEMT 显示出较低的RON × QG 值，与基于其他半导体技术的竞争对手相比至少提高了四倍（从 SiC 和 Si 器件的 RON × QG > 1500 m ·nC 到 RON × QG > 300 m · nC）。

如果考虑共源共栅 GaN HEMT，则改进仅限于两倍。从动态角度来看，GaN e-mode 晶体管的输入电容 CIN 要低得多（在 200 pF 范围内），而 GaN 共源共栅 HEMT 的输入电容 CIN 较高（由于用于驱动常导通器件的硅 MOSFET）和 SiC 晶体管（高于 900 pF）。

相反，硅功率 MOSFET 具有更高的输入电容（超过数千 pF）。

此外，必须注意的是，GaN e-mode HEMT 的反向恢复电荷为零（由于没有经典的 MOSFET 体二极管），SiC 和 GaN 共源共栅 HEMT 的反向恢复电荷为 100 nC 量级，而 Si MOSFET 的反向恢复电荷则在数千 nC 范围内。高反向恢复电荷会导致转换器效率下降，并可能导致工作期间电压和/或电流尖峰，这表明较低的值是可取的。图 2(a) 通过雷达图对上述参数进行了图形比较，突出了 GaN HEMT 的更好性能。

在功率晶体管的比较中，其他重要参数包括开启延迟时间 (td-on)、上升时间 (tr)、关闭延迟时间 (td-off) 和下降时间 (tf)。它们描述了晶体管快速开启和关闭的能力。从这个角度来看，这里分析的不同技术之间的差异并不那么明显，尽管图 2(b) 中报告的雷达图显示，GaN e-mode HEMT 平均表现出更好的性能。另一方面，由于存在硅 MOSFET，GaN 共源共栅 HEMT 的开启/关闭能力较慢，与 GaN e-mode 器件相比，而与 SiC 和 Si 功率晶体管相比，其性能相当。如果以开启/关闭时间为参考指标，GaN 功率 e-mode FET 可能是首选。

更高的电压范围对于不同领域的电力电子的未来具有重要意义，因此，对额定为此类工作模式的器件进行简要比较是值得的。由于目前 GaN 的电压最高可达 1200 V，我们比较了 900V 和 1200 V 范围内的 GaN 和 SiC（650 V 除外），并使用图 2 中用于 650 V 市场细分比较的相同雷达图。对于图 3 总结的更高电压细分中的这种新比较，每个电压范围和每个半导体技术都包含一个器件。表 II 中的 900 V 硅 MOSFET 无论如何都被排除在外，因为它的性能与所有其他产品都无法相比。

图 3 的雷达图再次强调了 GaN 晶体管更好的动态性能，即使在这些更高的电压范围内也是如此，证实了之前对 650 V 范围的陈述。尽管如此，必须强调的是，目前高压 GaN 晶体管的性能和可靠性仍在优化中。此外，值得提醒的是，在 900V-1200 V 电压范围内，市场上只有两种基于 GaN 的解决方案，而 SiC MOSFET 可轻松实现 1700 V 操作，许多不同的知名供应商提供数十种选择。

从成本角度来看，基于这两种材料的同类分立器件的价格差异有限。如果我们比较表 II 中 650 V 器件的销售价格，截至 2023 年 8 月，基于 Si 的器件最便宜。GaN 分立晶体管的价格将上涨 30%，SiC 分立晶体管的价格将上涨 50%，但仍低于 18 美元。对于更高电压的设备，成本更加统一，Si 设备的价格与 SiC 和 GaN 的价格持平，而 SiC 和 GaN 的价格上涨了 20%（相对于 650 V 范围）。这表明，在这两种技术之间进行选择对转换器的物料清单 (BOM) 的影响有限。

然而，如果我们考虑到某些设备允许转换器以更高的频率运行，从而需要更少的笨重和昂贵的无源元件，那么总体成本的推理就会发生变化。一般来说，上面报告的雷达图有助于理解为什么在高压和高功率领域，电力电子正在转向 SiC 或 GaN 等 WBG 半导体。

除了单个晶体管外，包括多个设备的模块也已商业化。这些模块旨在大幅减少寄生元件的有害影响，寄生元件会严重限制高频操作期间的性能，并改善热管理，最终实现更高功率密度下的高压和高电流操作。这些模块可以包含各种可能配置的晶体管（如果是 SiC，则包含二极管），例如半桥或全桥，以便在与特定外部组件配对时轻松实现不同的电源转换器拓扑。

应用

与基于 Si 的器件相比，SiC 和 GaN 功率晶体管更小（减小了芯片面积），这是因为击穿场更高（>3mV/cm），而且由于能带隙更宽，因此能够承受更高的温度。由于 RON 更低，传导损耗也降低了，从而有助于提高电源转换器可实现的整体效率，最终需要更小的散热器和冷却系统。从动态角度来看，降低的输入电容和栅极电荷有助于简化器件驱动，并允许更高频率和更低损耗的操作。

SiC 和 GaN 还扩展了 Si MOSFET、IGBT 和超结 Si MOSFET 的工作功率区域（和频率），如图 4 所示。

通过采用 SiC 和 GaN 器件可实现的效率和小型化水平有利于开发高效的直流-交流和直流-直流转换器，从而可以减轻电子元件的重量和体积，这对于电动汽车等电池供电应用非常重要，并可以提高功率密度。

A

当前应用

尽管 SiC 和 GaN 基晶体管从许多角度来看都具有多种优势，但它们并未在所有可从其特性中受益的领域得到广泛采用。目前，此类设备在两个不同领域发挥着重要作用。SiC 基设备广泛应用于混合动力和电动汽车牵引逆变器（特斯拉自 2017 年以来使用 SiC 晶体管），同时在超级跑车和赛车的车载充电器 (OBC) 和牵引逆变器中也可以找到它们，但数量较少。因此，SiC 晶体管目前主要针对汽车市场。

另一方面，GaN 通常用于实现智能手机和 PC 的电源和充电器，因为与传统的 Si 基交流-直流转换器相比，更高的可实现开关频率使更高功率的充电器体积减小了三倍。在高端光伏逆变器中，GaN基晶体管的用量也较低，这表明目前GaN功率器件更面向消费电子产品。

B

未来应用

由于成本不断降低和最大工作电压不断提高，未来更多领域将受益于 SiC 和 GaN 的特殊性能。

特别是，基于上述两种 WBG 材料的晶体管有望进一步进入目前由硅器件主导的领域，例如 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、栅极关断 (GTO) 和可控硅整流器。这两种技术的具体应用领域当然取决于目标电压水平，如图 5 所示。

1) 400 V 以下，GaN 有望占据市场主导地位。此范围对应于单相和三相系统的最大家用电源电压，涉及所有家用电器、消费电子产品（智能手机、个人电脑及其充电器）和数据中心的电力电子设备。

2) 在 400 至 1200 V 之间，SiC 和 GaN 有望合作和共存，具体取决于每个应用中处理的功率水平。在此电压范围内，可以找到用于可再生资源的逆变器、工业电机控制器和汽车领域的多种应用。由于对汽车电气化的兴趣和需求日益增加，后者对这两种半导体都具有极大兴趣。在混合动力和/或电动汽车内部，不同的电器利用功率转换器，因此利用功率晶体管（见图 6）。实现电力电子元件的高效率、小尺寸和低重量对于延长车辆行驶里程、提高舒适度和车辆性能至关重要。

3) 在 1200 V 以上，SiC 有望在电力列车牵引、风力涡轮机应用和智能电网中发挥根本性作用。目前，电力列车牵引对 SiC 来说极具吸引力，因为感兴趣的电压在 kV 范围内（普通列车最高 5 kV），其中 SiC 几乎可以替代硅器件（主要是 GTO 和 IGBT），并带来更高的性能和效率。除此之外，SiC 还将在运行电压更高的系统中发挥作用，例如高速列车，其电压可能需要高达 25 kV。

C

电路拓扑

对于当前的应用，可以根据电压、功率和开关频率要求采用不同的电路拓扑。

对于 GaN，我们开始考虑 USB-C 适配器的情况，它是 GaN-on-Si 产品市场上最快的采用者。功率水平可以从 33 到 250 W。如果我们考虑负载低于 70 W 的应用，其中不需要功率因数校正 (PFC)，最常见的拓扑是准谐振反激式，其次是有源钳位反激式。GaN 器件可以达到非常高的频率，但在这些情况下，它们被限制在 300 kHz 以避免电磁干扰 (EMI) 问题。对于更高功率的应用，由于需要 PFC Boost 级作为前端，因此采用多级拓扑。以下各级的拓扑与上面描述的相同，但也包括桥式拓扑。当需要多个输出电压时，也可以使用基于 Si 的级：在这种情况下，基于 Si 的开关用于负责直流-直流转换的最后级。

最后，在这种情况下，基于 GaN 的设计可以实现更大的功率密度，约为 1.5-1.9 W/cm³，2015 年 Google LittleBox 挑战赛的结果为 8.7 W/cm³。然而，在设计钳位电路时必须小心谨慎，最好是有源的，并考虑电压应力，以提供适当的余量，并避免 GaN 器件中的漏极-源极击穿。

使用 GaN 仍然可以处理更高的功率 (>250W)，但在这种情况下，软开关或零电压开关 (ZVS) 拓扑是首选。具体来说，考虑谐振 LLC 拓扑。在半桥配置中，使用 GaN 器件可以实现更高的频率和效率。如第掐面所述，GaN 器件的栅极电荷、输出电容和反向恢复时间和电荷减少，从而分别降低了驱动损耗、开关损耗和反向恢复损耗。

此外，GaN 器件使无二极管 H 桥配置成为可能，具有反向传导能力。这些也可以通过并联二极管的 IGBT 或使用 Si MOSFET 的内部体二极管来实现，但 GaN 解决方案效率更高，因为它的 Qrr 要低得多。SiC 器件用于高功率应用，并且已经用于实现桥（或用于列车牵引的斩波器）拓扑的模块中。这些设备和模块通常用于高功率处理的逆变器中。特别是在 PV 逆变器的情况下，考虑了不同的拓扑结构，从两级、六组基本拓扑结构到更先进的三级拓扑结构。效率和零件数量的最佳选择是 T 型中性点钳位拓扑结构。

SiC 晶体管也被考虑用于 MW 范围内的高功率、无变压器设计：例如，它们用于列车牵引系统，以使低频交流接触网电压适应驱动电机所需的更高频率交流电压。这是通过适当级联交流-直流、直流-直流和直流-交流转换器来实现的，例如，对直流-直流部分使用谐振 LLC 转换拓扑，如相关方案中描述的 2 MW。

通过将 SiC 二极管纳入传统转换器，也可以利用 SiC 的优势。通过利用其较小的尺寸、快速的反向恢复和高温耐受性，可以成功实现混合设计。

当前的技术挑战

我们在前面的部分中已经看到了 SiC 和 GaN 功率器件如何在越来越多的用例中得到采用，这些用例充分利用了它们的独特性能。然而，正如学术界和工业界所做的那样，迫切需要持续的研究和开发过程，不仅要提高器件性能，还要提高其可靠性。为此，在比较 SiC 和 GaN 器件时，需要解决的挑战通常是不同的，因为这两种材料技术的成熟度水平不同，而且通常采用独特的器件结构，如图 1 所示。

具体而言，应注意在通道内引入和限制载流子的差异。例如，SiC 基 MOSFET 结构中氧化物的存在有助于减少栅极相关泄漏，从而改善限制，但它也导致了与通常发生在 GaN HEMT 栅极堆栈中的物理过程不同的电荷捕获场景。

此外，传统 Si 基 MOSFET 的经典结构和掺杂方案在 GaN HEMT 中不存在，其中通道是由于 GaN 的极化特性而形成的：这也会影响 GaN 器件在特定应力场景中的响应。

以下各节将简要回顾提高 GaN 和 SiC 晶体管可靠性的关键技术挑战。

A

GaN 和 SiC 晶体管中的
阈值电压偏移（Threshold Voltage Shift）

无论使用何种材料，功率晶体管开发中的一个关键挑战是缓解工作过程中发生的不良阈值电压 (Vth) 偏移（无论是正向偏移还是负向偏移）。例如，考虑一个常闭器件，正向 Vth 偏移会降低器件的整体性能，因为它会导致过驱动电压降低。这会增加导通电阻，并可能触发器件过早关闭。另一方面，负向 Vth 偏移可能会导致更糟糕的情况，即由于误导通事件或关闭状态被抑制，器件控制会部分丢失。在开关转换器中，这种可能性构成严重危害，因为它们可能导致不同电源线之间形成短路 (SC)，最终导致系统发生灾难性故障或导致不安全的操作条件。

对于硅器件，这些问题早已得到控制，这种成熟度由共源共栅配置对 Vth 偏移的稳健性证明，其中 WBG 器件由传统的 Si 基器件控制。然而，对于基于 WBG 材料的其他类型晶体管，这个问题是存在的，需要加以解决。研究 Vth 偏移的典型方法或加速应力条件是偏置温度不稳定性 (BTI)，或在栅极端子处在不同温度下施加正 (PBTI) 或负 (NBTI) 偏置。在 GaN 世界中，对于未优化的 e-mode HEMT，不同的机制可以在正偏置应力下导致正和负 Vth 偏移，如图 7 所示。

随着栅极堆叠工艺的变化和优化，可以平衡不同的机制，增强或减少电子或空穴捕获，以平衡正负 Vth 偏移，从而导致稳定的 Vth 。Vth 偏移实际上是由捕获现象引起的，而位于界面和器件不同区域内的缺陷的存在又助长了这种现象（见图 8）：因此，界面和材料质量的改善对于缓解此类过程至关重要。

正如文献中所述， Vth 不稳定性也可能来自关断状态操作。高漏极偏压实际上会引起 Vth 偏移，就像 Chen 等人发现的正 Vth 偏移一样。（VD = 200 V 时高达 1 V）：这种漏极引起的 Vth 偏移尚未得到广泛研究和充分理解，因此是未来研究的开放点。

就栅极电介质附近的捕获而言，SiC 基 MOSFET 具有优势，因为其原生氧化物在室温下稳定，是众所周知的 SiO2，几十年来一直在 Si 基电子器件中使用。对 SiO2进行的广泛研究为 SiC MOSFET 的发展奠定了坚实的基础。尽管如此，SiC- SiO2之间的界面质量低于 Si- SiO2之间的界面质量，因此导致更多缺陷、更多捕获，因此在操作过程中Vth 变化更大。

对于提交给 PBTI 的 4H-SiC MOSFET，在文献中发现多个正向偏移的观察结果，与应力时间的对数呈线性和超线性。偏移的幅度远低于 GaN 的观察值，但对于高电压和高温，偏移会变得相当大（1V-5V）。这种偏移通常归因于电子隧穿到近界面氧化物陷阱。其他报告表明，转变动态中存在两个阶段，如图 9 所示，这可以归因于两个不同的捕获过程的竞争。

1) 初始正移，具有对数时间依赖性，通常与界面捕获有关，并使用抑制模型进行描述。

2) 负移，归因于通过氧化物内的撞击电离产生空穴，如图 9 所示。此处观察到的时间依赖性是指数的。

B

GaN 器件中的动态导通电阻增加

共源共栅和 e-mode GaN HEMT 面临的最重要挑战之一是其导通电阻 (RON) 在关断状态或半导通状态偏置下的可恢复增加。

这对于功率晶体管非常重要，因为在关断状态操作期间，晶体管会受到非常高的漏极电压，这可能导致电子注入表面状态 和/或缓冲陷阱。这些现象导致通道电导率整体下降，因此当器件在不同漏极偏置水平下运行时，RON会增加，由于电子捕获（在表面和/或缓冲状态下）和其他机制（如漏极应力期间产生正电荷（即由电子从缓冲区转移到通道产生的空穴））的相互作用，可能会发生导通电阻不稳定。在半导通状态下，导通电阻的增加会进一步增强，这代表了器件在切换过程中跨越的工作点。

抑制导通电阻增加的一种方法是使用混合漏极 (HD：hybrid-drain)，其中 p-GaN 层嵌入漏极接触中，以在关断状态和半导通状态操作期间注入空穴。这可以抵消电子捕获，从而保持导通电阻。

Fabris 等人通过进行一组实验探索了这种方法的有效性，这些实验强调了关断状态和半导通状态操作中不同漏极静态偏置 (QBs：quiescent biases) 的导通电阻行为。

C

GaN 晶体管的击穿机制

在电源转换器的开关操作过程中，可能会发生不同的击穿机制，并导致固态开关的灾难性故障。一般来说，为了进一步的技术发展和提高额定电压和使用寿命，必须考虑所有击穿机制来优化GaN FET。

从栅极角度来看，考虑到导通状态操作，共源共栅和 e-mode GaN FET 之间的击穿机制不同。在第一种情况下，栅极实际上对应于 Si MOSFET 的栅极，Si MOSFET 可能会受到众所周知的时间相关电介质击穿 (TDDB：time-dependent-dielectric-breakdown) 的影响。

在 e-mode GaN FET 的情况下，即使栅极堆栈中没有任何电介质，由于正偏压暴露，仍存在时间相关的退化和击穿。

在 GaN-on-Si 器件中，漏极到基板的击穿通常存在于电压远高于额定值的情况下，通常高于 1000 V 。然而，在高压 GaN FET 制造中，必须考虑并优化这种类型的击穿 。提高器件对这种现象的鲁棒性的方法是局部衬底去除，或者以较低的成本使用蓝宝石衬底代替硅衬底，正如 Gupta 等人使用 1200 V GaN 开关所展示的那样。

最后要说的是，HEMT 击穿的一个热门话题与雪崩有关。GaN HEMT 相对于 Si 和 SiC MOSFET 具有低得多的撞击电离系数；因此，它们的雪崩行为不同。尽管如此，它们能够承受远高于其额定值的电压，从而产生动态击穿电压行为（即击穿电压取决于关断状态脉冲持续时间）。这些器件还表现出出色的浪涌能力。然而，需要研究这些能力，以量化晶体管对开关瞬变期间可能发生的电压过应力事件的稳健性。

D

GaN 晶体管中的其他挑战

由于开发阶段相对较早，目前正在研究其他因素，例如短路和浪涌能量能力。GaN 晶体管（包括 e-mode 和共源共栅类型）在进行短路测试时可能会表现出不同的退化和/或故障机制。GaN HEMT 中的浪涌能量与过压稳定性密切相关，并且器件不显示雪崩能力。对于 Si 和 SiC 晶体管，器件浪涌能量通常与雪崩能量有关。一般而言，GaN HEMT 的设计具有足够高的动态击穿电压以承受过压瞬变。

E

SiC MOSFET 中的栅极氧化物故障

SiC MOSFET 的一个关键可靠性方面是栅极氧化物的击穿。对于这种类型的故障有两种物理解释 。第一种是场驱动的，包括在外部场的作用下化学键的减弱。另一方面，第二种与通过隧穿的电荷流动有关，由于 SiO2 和 SiC 之间的能带偏移减小，这种隧穿相对于 Si MOSFET 来说有所缓解。具体而言，我们发现在高场、低温下有 Fowler-Nordheim 隧穿，而在低场、高温下有热辅助隧穿。在测试器件对栅极氧化物故障的稳健性时，主要的 FOM 由故障时间 (TTF：time-to-failure) 表示，然后用于计算特定操作场景下栅极电介质的预期寿命。一种广泛采用的方法是向栅极施加恒定的应力电压，监测电流直到发生击穿。这种方法可以评估 TDDB 现象，因此测试时间可能非常长。由于寿命与温度和电压成比例，因此可以通过提高测试温度和电压，然后在器件的目标工作条件下推断数据来有效地缩短测试时间。

发现与隧道电流相关的故障机制的存在与另一种评估方法——电荷击穿相兼容，后者依赖于对器件击穿前流过栅极堆栈的总电荷的评估。在这种情况下，对栅极施加恒定电流应力，然后将电荷击穿定义为电流到击穿时间的积分，或应力电流乘以击穿时间。

在某些情况下，电荷击穿可能导致氧化物寿命估计过高，但这个问题也存在于基于 TDDB 的方法中，其中高场下的整个生成和捕获可能导致过早失效，从而导致对低场下寿命的估计过高。

此外，测试期间的电子捕获可以放松氧化物上的场，进一步加剧上述高估。为避免过度捕获而导致高估，建议将应力场保持在特定阈值以下，根据刘等人的说法，该阈值低于8.5mV/cm ，根据Zheng等人的说法，该阈值低于 7 mV/cm。

氧化物可靠性也可以通过栅极电介质的安全工作区来描述，该区域表示应力场温度空间，在该空间中，器件性能保持在数据表规范范围内，考虑到击穿前的氧化物劣化。

栅极氧化物故障是一个重要的可靠性问题。因此，迫切需要检测制造设备早期故障的方法。例如，Zheng等人建议在相对较高的电压下进行电压斜坡，而 Miki 等人建议使用重复的 Vth 测量来排除瞬态不稳定性。

作为参考，在汽车行业中，标准氧化物寿命在 108 秒范围内。2020 年，t63%（63% 的设备发生故障的时间）在 150℃时被发现大于 106 s 。2021 年，另一项研究发现，对于所有测试的供应商，t63%在 150 ◦C 时均 > 108 s，证明了 SiC MOSFET 技术的稳健性。

F

SiC MOSFET 的短路稳定性

短路稳定性测试是评估器件在现实场景中可能出现的恶劣条件下的耐用性的另一种方法。

也可以使用非常高的漏极电压下的硬开关事件以及各种长度的导通脉冲来测试功率器件的稳定性。从这个角度来看，要估计的相关参数是短路耐受时间 τSC 和器件中存储的临界能量 EC。电压和电流波形的评估（见图 10）还可以制定短路安全工作区 (SCSOA：Short-Circuit Safe-Operating-Area)。

SiC MOSFET 旨在取代 Si IGBT，其 τSC 约为 10µs。自 2013 年以来，这一目标已经实现 [55]，但并非系统性地实现。为了提高性能，在受压器件上增加源电阻被证明是有益的，只要适当调整以不影响导通状态和开关性能即可。由于过驱动电压降低，流过器件的电流减少，但初始电流峰值保持不变。这种电阻也可以集成在器件本身内。

更先进的缓解技术涉及添加 Si MOSFET 来代替源电阻。这种方法，即 Baliga 短路改进概念 (BaSIC：Baliga short-circuit improvement concept)，相对于单源电阻方法，提高了器件性能。

最后，就短路性能而言，沟槽状结构似乎相对于平面 DMOSFET 处于劣势。

观点

目前，SiC 和 GaN 器件都处于高级开发阶段。两者都找到了商业应用，并因其相对于硅同类器件在效率、稳健性和功率密度方面的改进而受到称赞。未来，预计这两种材料将继续研究，以解决悬而未决的问题，提高可靠性，并进一步增强其优势。

基于前几节中报告的考虑，认为单一材料是功率器件的最佳选择是不正确的，就像集成电路行业中的硅一样。事实上，GaN 和 SiC 具有独特的各自特性，并且每个都可以为特定应用带来改进。例如，SiC 允许制造非常坚固的器件，从而实现高功率开关转换器。

另一方面，GaN HEMT 拥有速度和卓越的效率，这对于提高中低功率转换器的功率/体积比至关重要。

未来，GaN 有望达到更高的电压，甚至超过 1200 V。要实现这一目标，就需要创新的半导体结构，例如垂直 GaN 晶体管和合适的经济高效的衬底。目前，垂直 GaN 晶体管尚未达到适合广泛商业化的成熟度。然而，未来此类器件（包括 finFET、MOSFET 和 JFET）的出现有望实现比 SiC 器件更低的导通电阻值，同时实现雪崩和短路稳定性。对于 SiC 而言，拥有能够实现出色性能的简单结构，同时受益于 Si 基电子器件中积累的所有 SiO2 知识，这是一个非常重要的优势。这可以有效控制捕获现象、Vth 稳定性和击穿性能。这将为 SiC 器件开辟新视野，用于在已知环境（如汽车）和更具开拓性的环境中处理不断增加的功率。第一个例子是火车牵引，由于效率的提高，火车牵引可以由电池供电；另一个例子是电网级别的超高压应用，用于支持智能电网领域的创新电网管理技术。

在最先进的未来应用中，GaN、SiC 甚至 Si 开关在同一转换器中的共存对于以最低成本获得最大性能至关重要。数学优化工具在这种情况下非常有效，正如 Burkart 和 Kolar 等人引入的多目标优化方法所见。该方法使用经过精心调整的紧凑模型来优化设备的选择，以充分利用电力电子可用的所有不同半导体材料的优势。

在最密集的应用中，多个设备同时以串联或并联配置使用，目的是维持更高的电压或电流。在这些情况下，设备级分析必须通过系统级设计考虑来完成。这些措施通常包括但不限于仔细管理热方面或缓解各个设备之间的电流/电压不平衡。这种不平衡会引起静态和动态性能变化，从而导致不均匀的传导和开关损耗以及不均匀的瞬态电流分布。因此可能会出现更高的电流过冲，并且可能需要降低电流能力以保持在 SOA 限制内，从而导致固态开关的使用不优化。

结论

我们概述了目前市售的 GaN 和 SiC 功率晶体管的现状。首先讨论了相关的材料特性，并证明了特定平台设备之间的结构差异。

首先通过比较数据表指标对两类设备进行比较，并重点关注 650V 设备，在这个电压范围内，GaN 和 SiC 晶体管共存，Si 设备得到了很好的发展。数据显示，在考虑 RON × QG FOM、输入电容和反向恢复电荷时，可用的 GaN 设备具有最佳性能。另一方面，SiC 器件在相同指标上的性能稍差，但相对于 Si MOSFET 技术仍有很大改进。

还比较了更高电压的设备。GaN 表现出更好的性能，但其发展仍然受到技术和可靠性问题的限制。在这个电压/功率范围内，考虑到许多不同且具有竞争力的产品的大量市场可用性，SiC 代表了一种有效的替代方案。然后分析了基于 GaN 和 SiC 的功率器件的当前应用领域，以及现代功率转换器中采用的主要电路拓扑。还描述了未来的应用。GaN 器件有望在消费电子和数据中心的电源以及家用电器中得到广泛传播。GaN-SiC 共存将出现在光伏和汽车领域，而 SiC 将主导高功率、高压智能电网和列车牵引应用。

然后概述了当前的可靠性和性能挑战，特别关注 Vth 不稳定性及其相关的缓解策略。还描述了与技术相关的方面。事实证明，SiC 器件在运行过程中非常稳定，VTH 偏移低得多，并且不会受到动态导通电阻效应的影响。它们是恶劣条件下的完美选择，因为它们在寿命和 SC 能力方面非常接近 IGBT 的性能。相反，GaN 提供了更好、更快的开关，但对于 >1000 V 范围，可靠性仍在优化中。市场上已经有完全合格的 GaN 器件，具有良好的性能和可靠性。

根据有关最先进 GaN 和 SiC 功率器件的现有文献，未来性能和可靠性的改进路径清晰可见；我们预计 GaN 和 SiC 技术将在未来几年共存，具体取决于每个单独应用的具体要求以及相关的任务概况。与硅的竞争也将成为性能、可靠性和成本降低方面进一步优化的源泉。

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