SiC和GaN，近况与瞻望

（原标题：SiC和GaN，近况与瞻望）

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编者按

在本文中，咱们对商场上可用于面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归和瞻望。领先商榷了 GaN 和 SiC 器件之间的材料特色和结构各异。基于对不同商用 GaN 和 SiC 功率晶体管的分析，咱们描摹了这些技能的最新进展，要点先容了优先功率调养拓扑和每个技能平台的枢纽特色。

文中，咱们还回归了 GaN 和 SiC 器件确面前和翌日应用限制。本文还阐发了与这两种技能联系的主要可靠性方面。对于 GaN HEMT，描摹了阈值电压沉稳性、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。

临了，咱们空洞了此类材料在不同限制中的出息。并指出了这两种技能翌日可能的改进和发展。强调了搀杂调养器（hybrid converters）的要求以及性能的全心优化和改换优化器具的使用。

此外，咱们需要说明一下，该文写于2024年四月，因此里面对于一些面前的进展可能略略有点不同，但不影响对整个这个词产业的评价。

简介

如今，减少对化石燃料的依赖是缓解悦目变化的枢纽方向。在此布景下，电力调养器（electric power converters）的后果、可再生能源的使用以及多样车辆和系统的电气化阐述着至关首要的作用。

具体而言，涵养电力调养器的后果是一种简约能源的方法，不然这些能源将会流失，从而涵养也曾凡俗接受的系统（如电源、暖通空调系统等）的全体后果。这是一种相当经济灵验的表情，无需投资新的基础设施即可量入为出大量能源。

在往时的几年里，东说念主们也曾不雅察到电气化的无边趋势，尤其是在高功率日常用品中，举例车辆、厨房用具和环境加热系统，这使得这种后果改进变得愈加紧迫。在整个存在多个调养方法（从交流到直流、从直流到直流等）的限制，举例汽车或光伏系统，这小数尤为首要。使用基于新材料的晶体管不错大幅涵养电源调养器的后果，与更传统的硅器件比较，这些基于新兴材料的晶体管具有更好的性能和可靠性。

支吾这一挑战的一个相当有但愿的方法是使用宽带隙 (WBG) 半导体。由于这些材料的特色，它们不错制造电力电子器件（晶体管、二极管），在许厚情况下，这些器件的性能优于目下可用的 Si 基器件。表 I 阐发了最联系的 WBG 半导体的物理特色以及与硅的比较。

与硅比较，WBG 材料提供了更高的临界电场，从而不错杀青在更高电压下责任的功率调养器，同期提供低导通电阻和高热导率。在感敬爱的 WBG 半导体中，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 为杀青用于电源调养器（直流交流逆变器和直流直流调养器）的高压开关提供了出色的性能，最首要的是，它们具有最高的老练度和工业化水平：因此，目下已有多种商用建树可用，而且已被用于好多应用。

除了 SiC 和 GaN 之外，从磋议角度来看，其他 WB 半导体（举例氧化镓、金刚石和氮化铝）也引起了东说念主们的极大敬爱，但它们目下的老练度水平仍然梗阻了旨在短期内投放商场的工业投资。尽管如斯，这些材料对于特定应用具有首要意旨，而且也曾展示了可用的建树。翌日，WB 半导体将在电力电子商场中占有更大的份额。由于各个材料的特色，咱们应该期待不同技能的共存，每种技能王人侧重于特定的应用。

从这个角度来看，本文描摹了目下发轫进的商用SiC和GaN功率晶体管确面前特色。在第二部分中，咱们从分立器件的角度描摹了面前的商场景色，通过比较SiC和GaN晶体管（主要在650V界限内），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，咱们描摹了此类半导体器件确面前和翌日应用；在第四部分中，咱们商榷了SiC和GaN进一步发展中靠近的挑战，以及可料念念的应用限制；临了，在第五部分中，咱们先容了对于这两种材料的不雅点。

商用建树

从历史上看，第一个引起电力电子限制敬爱的 WBG 半导体是 SiC。这主淌若因为它与硅具有很强的亲和力，这使得不错粗心复制也曾固化的器件结构。此外，SiC 具有SiO2行为自然氧化物，其特色和加工技能也曾从对硅基电子器件进行的真切而凡俗的磋议中得到了真切磋议。因此，不错快速启动 SiC 技能的诱骗。在电力电子限制脱手磋议这种材料十年后，即 1990 年左右，第一个 SiC 肖特基二极管得以生意化。从那时起，技能的不断改进使 SiC 在高达 1700 V 的电压界限内上市，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) 限制，并在 1990 年左右脱手引起电力电子限制的热心，那时的 SiC 晶体管初次演示可回顾到 1991 年。但是，与 SiC 的情况不同，GaN 并莫得工业常识，因此需要更长的时辰来获取和沉稳该技能。AlGaN/GaN 高电子挪动率晶体管 (HEMT) 充分诳骗了 GaN 的上风：由于存在原生 2-D Electron Gas (2DEG)，这种器件不错杀青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 等东说念主引入商场，比第一个商用 SiC 器件晚了十年。如今，收货于磋议和工业层面的不断起劲，商场上不错找到额定电压高达1200V的 GaN HEMT，尽管大多数可用家具的额定电压为650V或以下。据作家所知，目下还莫得商场上销售的分立式 GaN 功率二极管。

A

生意 SiC 和 GaN 功率晶体管

要杀青生意化，功率晶体管必须自在三个主要要求：1) 约略保管弥漫高的电压和功率；2) 具有低开关和传导损耗；3) 杀青常关操作。所分析的 WBG 半导体的固有特色使其妥贴制造与前两个经管兼容的器件，即使用于杀青这一方向的结构在 SiC 和 GaN 之间存在权臣各异。

对于基于 SiC 的晶体管，如今，商场提供了两种不同的治理决议：垂直 MOSFET（具有平面或沟槽栅极）和共源共栅垂直 JFET。这两种结构王人自在常关操作的要求，永别如图 1(a)-(c) 所示。

相悖，GaN 允许杀青 HEMT，正如曾做生意榷过的。但是，AlGaN/GaN HEMT 是一种常开器件，不适用于故障安全电源应用。为了杀青常关操作，目下凡俗接受两种灵验技能：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。目下，在文件中提议的好多其他拓扑中，这是商场上仅有的两种 e-mode GaN FET 拓扑。这些 GaN 和 SiC 拓扑的主要优点和时弊将在后头商榷。

B

典型应用电压界限

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

相悖，GaN 隐秘了从 15V 到 1200 V 的宽电压界限。但是，就高电源电压而言，基于 GaN 的器件的传播委果透彻局限于 650 V 界限，因为商场上仅提供一家供应商的 900 V 治理决议和一家供应商的 1200 V 级治理决议：在900V以上，基于 SiC 的晶体管仍然是功率调养电路经营的首选。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，这小数至关首要：

1）为了减少栅极环路电感（以最大限制地减少导通时期的栅极应力）；2）为了减轻共源电感（以杀青更高的压摆率）；3）允许经营高效的热和电流保护电路。

C

600/650 V 界限内的 SiC 和 GaN 晶体管

为了进一步了解并更好地意会市售治理决议之间的各异，咱们决定比较 650 V 界限内的 SiC 和 GaN 分立晶体管，以及一些额定电压更高的家具，以进行更全面的分析。表 II 阐发了从比较建树的数据表中索要的主要参数，这些建树来自不同的制造商（非正经列表）。选拔基于蚁合漏极最大电流才智（30A到50A之间）和典型导通电阻值（约50mΩ），以便进行自制比较。

对于 650 V 界限，比较了不同的 SiC FET、GaN FET 和一个 Si MOSFET。RON×QG品性因数 (FOM) 代表了评估 FET 后果的凡俗传播的方向，因为它计议了传导和开关损耗。

从经营角度来看，很难同期贬抑导通电阻和总栅极电荷，因此该 FOM 是一个很好的比较基础（尽管它不是惟一不错依赖的基础）。其中，GaN e-mode HEMT 娇傲出较低的RON × QG 值，与基于其他半导体技能的竞争敌手比较至少涵养了四倍（从 SiC 和 Si 器件的 RON × QG > 1500 m ·nC 到 RON × QG > 300 m · nC）。

如果计议共源共栅 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 界限内），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）。

相悖，硅功率 MOSFET 具有更高的输入电容（卓越数千 pF）。

此外，必须防备的是，GaN e-mode HEMT 的反向收复电荷为零（由于莫得经典的 MOSFET 体二极管），SiC 和 GaN 共源共栅 HEMT 的反向收复电荷为 100 nC 量级，而 Si MOSFET 的反向收复电荷则在数千 nC 界限内。高反向收复电荷会导致调养器后果着落，并可能导致责任时期电压和/或电流尖峰，这标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，杰出了 GaN HEMT 的更好性能。

在功率晶体管的比较中，其他首要参数包括开启延伸时辰 (td-on)、上升时辰 (tr)、关闭延伸时辰 (td-off) 和着落时辰 (tf)。它们描摹了晶体管快速开启和关闭的才智。从这个角度来看，这里分析的不同技能之间的各异并不那么昭着，尽管图 2(b) 中阐发的雷达图娇傲，GaN e-mode HEMT 平均阐述出更好的性能。另一方面，由于存在硅 MOSFET，GaN 共源共栅 HEMT 的开启/关闭才智较慢，与 GaN e-mode 器件比较，而与 SiC 和 Si 功率晶体管比较，其性能特别。如果以开启/关闭时辰为参考方向，GaN 功率 e-mode FET 可能是首选。

更高的电压界限对于不同限制的电力电子的翌日具有首要意旨，因此，对额定为此类责任阵势的器件进行简要比较是值得的。由于目下 GaN 的电压最高可达 1200 V，咱们比较了 900V 和 1200 V 界限内的 GaN 和 SiC（650 V 之外），并使用图 2 顶用于 650 V 商场细分比较的调换雷达图。对于图 3 总结的更高电压细分中的这种新比较，每个电压界限和每个半导体技能王人包含一个器件。表 II 中的 900 V 硅 MOSFET 岂论怎样王人被遗弃在外，因为它的性能与整个其他家具王人无法比较。

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界限内亦然如斯，阐明了之前对 650 V 界限的述说。尽管如斯，必须强调的是，目下高压 GaN 晶体管的性能和可靠性仍在优化中。此外，值得教唆的是，在 900V-1200 V 电压界限内，商场上唯有两种基于 GaN 的治理决议，而 SiC MOSFET 可粗心杀青 1700 V 操作，好多不同的著名供应商提供数十种选拔。

从资本角度来看，基于这两种材料的同类分立器件的价钱各异有限。如果咱们比较表 II 中 650 V 器件的销售价钱，铁心 2023 年 8 月，基于 Si 的器件最低廉。GaN 分立晶体管的价钱将上升 30%，SiC 分立晶体管的价钱将上升 50%，但仍低于 18 好意思元。对于更高电压的建树，资本愈加长入，Si 建树的价钱与 SiC 和 GaN 的价钱捏平，而 SiC 和 GaN 的价钱上升了 20%（相对于 650 V 界限）。这标明，在这两种技能之间进行选拔对调养器的物料清单 (BOM) 的影响有限。

但是，如果咱们计议到某些建树允许调养器以更高的频率运行，从而需要更少的艰深和富贵的无源元件，那么总体资本的推理就会发生变化。一般来说，上头阐发的雷达图有助于意会为什么在高压和高功率限制，电力电子正在转向 SiC 或 GaN 等 WBG 半导体。

除了单个晶体管外，包括多个建树的模块也已生意化。这些模块旨在大幅减少寄生元件的无益影响，寄生元件会严重限制高频操作时期的性能，并改善热管理，最终杀青更高功率密度下的高压和高电流操作。这些模块不错包含多样可能配置的晶体管（如果是 SiC，则包含二极管），举例半桥或全桥，以便在与特定外部组件配对时粗心杀青不同的电源调养器拓扑。

应用

与基于 Si 的器件比较，SiC 和 GaN 功率晶体管更小（减小了芯单方面积），这是因为击穿场更高（>3mV/cm），而且由于能带隙更宽，因此约略承受更高的温度。由于 RON 更低，传导损耗也贬抑了，从而有助于涵养电源调养器可杀青的全体后果，最终需要更小的散热器和冷却系统。从动态角度来看，贬抑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 还膨胀了 Si MOSFET、IGBT 和超结 Si MOSFET 的责任功率区域（和频率），如图 4 所示。

通过接受 SiC 和 GaN 器件可杀青的后果和袖珍化水平成心于诱骗高效的直流-交流和直流-直流调养器，从而不错减轻电子元件的分量和体积，这对于电动汽车等电板供电应用相当首要，并不错涵养功率密度。

A

面前应用

尽管 SiC 和 GaN 基晶体管从好多角度来看王人具有多种上风，但它们并未在整个可从其特色中受益的限制得到凡俗接受。目下，此类建树在两个不同限制阐述着首要作用。SiC 基建树凡俗应用于搀杂能源和电动汽车牵引逆变器（特斯拉自 2017 年以来使用 SiC 晶体管），同期在超等跑车和赛车的车载充电器 (OBC) 和牵引逆变器中也不错找到它们，但数目较少。因此，SiC 晶体管目下主要针对汽车商场。

另一方面，GaN 通常用于杀青智高手机和 PC 的电源和充电器，因为与传统的 Si 基交流-直流调养器比较，更高的可杀青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，这标明目下GaN功率器件更面向破费电子家具。

B

翌日应用

由于资本不断贬抑和最大责任电压不断涵养，翌日更多限制将受益于 SiC 和 GaN 的迥殊性能。

止境是，基于上述两种 WBG 材料的晶体管有望进一步参预目下由硅器件主导的限制，举例 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、栅极关断 (GTO) 和可控硅整流器。这两种技能的具体应用限制固然取决于方向电压水平，如图 5 所示。

1) 400 V 以下，GaN 有望占据商场主导地位。此界限对应于单相和三相系统的最环球用电源电压，波及整个家用电器、破费电子家具（智高手机、个东说念主电脑过火充电器）和数据中心的电力电子建树。

2) 在 400 至 1200 V 之间，SiC 和 GaN 有望互助和共存，具体取决于每个应用中处理的功率水平。在此电压界限内，不错找到用于可再生资源的逆变器、工业电机欺压器和汽车限制的多种应用。由于对汽车电气化的敬爱和需求日益加多，后者对这两种半导体王人具有极大敬爱。在搀杂能源和/或电动汽车里面，不同的电器诳骗功率调养器，因此诳骗功率晶体管（见图 6）。杀青电力电子元件的高后果、小尺寸和低分量对于延长车辆行驶里程、涵养舒规定和车辆性能至关首要。

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阐述根人道作用。目下，电力列车牵引对 SiC 来说极具眩惑力，因为感敬爱的电压在 kV 界限内（平日列车最高 5 kV），其中 SiC 委果不错替代硅器件（主淌若 GTO 和 IGBT），并带来更高的性能和后果。除此之外，SiC 还将在运行电压更高的系统中阐述作用，举例高速列车，其电压可能需要高达 25 kV。

C

电路拓扑

对于面前的应用，不错把柄电压、功率和开关频率要求接受不同的电路拓扑。

对于 GaN，咱们脱手计议 USB-C 适配器的情况，它是 GaN-on-Si 家具商场上最快的接受者。功率水平不错从 33 到 250 W。如果咱们计议负载低于 70 W 的应用，其中不需邀功率因数更正 (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 器件不错达到相当高的频率，但在这些情况下，它们被限制在 300 kHz 以幸免电磁干预 (EMI) 问题。对于更高功率的应用，由于需要 PFC Boost 级行为前端，因此接受多级拓扑。以下各级的拓扑与上头描摹的调换，但也包括桥式拓扑。当需要多个输出电压时，也不错使用基于 Si 的级：在这种情况下，基于 Si 的开关用于认真直流-直流调养的临了级。

临了，在这种情况下，基于 GaN 的经营不错杀青更大的功率密度，约为 1.5-1.9 W/cm3，2015 年 Google LittleBox 挑战赛的终结为 8.7 W/cm3。但是，在经营钳位电路时必须谨言慎行，最好是有源的，并计议电压应力，以提供符合的余量，并幸免 GaN 器件中的漏极-源极击穿。

使用 GaN 仍然不错处理更高的功率 (>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，计议谐振 LLC 拓扑。在半桥配置中，使用 GaN 器件不错杀青更高的频率和后果。如第掐面所述，GaN 器件的栅极电荷、输出电容和反向收复时辰和电荷减少，从而永别贬抑了驱动损耗、开关损耗和反向收复损耗。

此外，GaN 器件使无二极管 H 桥配置成为可能，具有反向传导才智。这些也不错通过并联二极管的 IGBT 或使用 Si MOSFET 的里面体二极管来杀青，但 GaN 治理决议后果更高，因为它的 Qrr 要低得多。SiC 器件用于高功率应用，而且也曾用于杀青桥（或用于列车牵引的斩波器）拓扑的模块中。这些建树和模块通常用于高功率处理的逆变器中。止境是在 PV 逆变器的情况下，计议了不同的拓扑结构，从两级、六组基本拓扑结构到更先进的三级拓扑结构。后果和零件数目的最好选拔是 T 型中性点钳位拓扑结构。

SiC 晶体管也被计议用于 MW 界限内的高功率、无变压器经营：举例，它们用于列车牵引系统，以使低频交流斗争网电压稳妥驱动电机所需的更高频率交流电压。这是通过符合级联交流-直流、直流-直流和直流-交流调养器来杀青的，举例，对直流-直流部分使用谐振 LLC 调养拓扑，如联系决议中描摹的 2 MW。

通过将 SiC 二极管纳入传统调养器，也不错诳骗 SiC 的上风。通过诳骗其较小的尺寸、快速的反向收复和高温耐受性，不错告捷杀青搀杂经营。

面前的技能挑战

咱们在前边的部分中也曾看到了 SiC 和 GaN 功率器件如安在越来越多的用例中得到接受，这些用例充分诳骗了它们的私有性能。但是，正如学术界和工业界所作念的那样，进攻需要捏续的磋议和诱骗经过，不仅要涵养器件性能，还要涵养其可靠性。为此，在比较 SiC 和 GaN 器件时，需要治理的挑战通常是不同的，因为这两种材料技能的老练度水平不同，而且通常接受私有的器件结构，如图 1 所示。

具体而言，应防备在通说念内引入和限制载流子的各异。举例，SiC 基 MOSFET 结构中氧化物的存在有助于减少栅极联系表示，从而改善限制，但它也导致了与通常发生在 GaN HEMT 栅极堆栈中的物理经过不同的电荷拿获场景。

此外，传统 Si 基 MOSFET 的经典结构和掺杂决议在 GaN HEMT 中不存在，其中通说念是由于 GaN 的极化特色而变成的：这也会影响 GaN 器件在特定应力场景中的反应。

以下各节将简要回归涵养 GaN 和 SiC 晶体管可靠性的枢纽技能挑战。

A

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

岂论使用何种材料，功率晶体管诱骗中的一个枢纽挑战是缓解责任经过中发生的不良阈值电压 (Vth) 偏移（岂论是正向偏移如故负向偏移）。举例，计议一个常闭器件，正向 Vth 偏移会贬抑器件的全体性能，因为它会导致过驱动电压贬抑。这会加多导通电阻，并可能触发器件过早关闭。另一方面，负向 Vth 偏移可能会导致更晦气的情况，即由于误导通事件或关闭状态被禁绝，器件欺压会部分丢失。在开关调养器中，这种可能性组成严重危害，因为它们可能导致不同电源线之间变成短路 (SC)，最终导致系统发生不幸性故障或导致不安全的操作条目。

对于硅器件，这些问题早已得到欺压，这种老练度由共源共栅配置对 Vth 偏移的稳健性讲解，其中 WBG 器件由传统的 Si 基器件欺压。但是，对于基于 WBG 材料的其他类型晶体管，这个问题是存在的，需要加以治理。磋议 Vth 偏移的典型方法或加快应力条目是偏置温度不沉稳性 (BTI)，或在栅顶点子处在不同温度下施加正 (PBTI) 或负 (NBTI) 偏置。在 GaN 寰宇中，对于未优化的 e-mode HEMT，不同的机制不错在正偏置应力下导致正和负 Vth 偏移，如图 7 所示。

跟着栅极堆叠工艺的变化和优化，不错均衡不同的机制，增强或减少电子或空穴拿获，以均衡正负 Vth 偏移，从而导致沉稳的 Vth 。Vth 偏移本色上是由拿获征象引起的，而位于界面和器件不同区域内的劣势的存在又孕育了这种征象（见图 8）：因此，界面和材料质地的改善对于缓解此类经过至关首要。

正如文件中所述， Vth 不沉稳性也可能来自关断状态操作。高漏极偏压本色上会引起 Vth 偏移，就像 Chen 等东说念主发现的正 Vth 偏移相同。（VD = 200 V 时高达 1 V）：这种漏极引起的 Vth 偏移尚未得到凡俗磋议和充分意会，因此是翌日磋议的绽开点。

就栅极电介质隔壁的拿获而言，SiC 基 MOSFET 具有上风，因为其原生氧化物在室温下沉稳，是大家皆知的 SiO2，几十年来一直在 Si 基电子器件中使用。对 SiO2进行的凡俗磋议为 SiC MOSFET 的发展奠定了坚实的基础。尽管如斯，SiC- SiO2之间的界面质地低于 Si- SiO2之间的界面质地，因此导致更多劣势、更多拿获，因此在操作经过中Vth 变化更大。

对于提交给 PBTI 的 4H-SiC MOSFET，在文件中发现多个正向偏移的不雅察终结，与应力时辰的对数呈线性和超线性。偏移的幅度远低于 GaN 的不雅察值，但对于高电压和高温，偏移会变得特别大（1V-5V）。这种偏微弱时归因于电子隧穿到近界面氧化物陷坑。其他阐发标明，改换动态中存在两个阶段，如图 9 所示，这不错归因于两个不同的拿获经过的竞争。

1) 启动正移，具有对数时辰依赖性，通常与界面拿获接洽，并使用禁绝模子进行描摹。

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。此处不雅察到的时辰依赖性是指数的。

B

GaN 器件中的动态导通电阻加多

共源共栅和 e-mode GaN HEMT 靠近的最首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收复加多。

这对于功率晶体管相当首要，因为在关断状态操作时期，晶体管会受到相当高的漏极电压，这可能导致电子注入名义状态 和/或缓冲陷坑。这些征象导致通说念电导率全体着落，因此当器件在不同漏极偏置水平下运行时，RON会加多，由于电子拿获（在名义和/或缓冲状态下）和其他机制（如漏极应力时期产生正电荷（即由电子从缓冲区转换到通说念产生的空穴））的互相作用，可能会发生导通电阻不沉稳。在半导通状态下，导通电阻的加多会进一步增强，这代表了器件在切换经过中逾越的责任点。

禁绝导通电阻加多的一种方法是使用搀杂漏极 (HD：hybrid-drain)，其中 p-GaN 层镶嵌漏极斗争中，以在关断状态和半导通状态操作时期注入空穴。这不错对消电子拿获，从而保捏导通电阻。

Fabris 等东说念主通过进行一组实验探索了这种方法的灵验性，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) 的导通电阻活动。

C

GaN 晶体管的击穿机制

在电源调养器的开关操作经过中，可能会发生不同的击穿机制，并导致固态开关的不幸性故障。一般来说，为了进一步的技能发展和涵养额定电压和使用寿命，必须计议整个击穿机制来优化GaN FET。

从栅极角度来看，计议到导通状态操作，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，栅极本色上对应于 Si MOSFET 的栅极，Si MOSFET 可能会受到大家皆知的时辰联系电介质击穿 (TDDB：time-dependent-dielectric-breakdown) 的影响。

在 e-mode GaN FET 的情况下，即使栅极堆栈中莫得任何电介质，由于正偏压透露，仍存在时辰联系的退化和击穿。

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 。但是，在高压 GaN FET 制造中，必须计议并优化这种类型的击穿 。涵养器件对这种征象的鲁棒性的方法是局部衬底去除，或者以较低的资本使用蓝相持衬底代替硅衬底，正如 Gupta 等东说念主使用 1200 V GaN 开关所展示的那样。

临了要说的是，HEMT 击穿的一个热点话题与雪崩接洽。GaN HEMT 相对于 Si 和 SiC MOSFET 具有低得多的撞击电离总共；因此，它们的雪崩活动不同。尽管如斯，它们约略承受远高于其额定值的电压，从而产活泼态击穿电压活动（即击穿电压取决于关断状态脉冲捏续时辰）。这些器件还阐述出出色的浪涌才智。但是，需要磋议这些才智，以量化晶体管对开关瞬变时期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

由于诱骗阶段相对较早，目下正在磋议其他身分，举例短路和浪涌能量才智。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阐述出不同的退化和/或故障机制。GaN HEMT 中的浪涌能量与过压沉稳性密切联系，而且器件不娇傲雪崩才智。对于 Si 和 SiC 晶体管，器件浪涌能量通常与雪崩能量接洽。一般而言，GaN HEMT 的经营具有弥漫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 的一个枢纽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意会释 。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接洽，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，咱们发当今高场、低温下有 Fowler-Nordheim 隧穿，而在低场、高温下有热缓助隧穿。在测试器件对栅极氧化物故障的稳健性时，主要的 FOM 由故障时辰 (TTF：time-to-failure) 默示，然后用于算计特定操作场景下栅极电介质的预期寿命。一种凡俗接受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。这种方法不错评估 TDDB 征象，因此测试时辰可能相当长。由于寿命与温度和电压成比例，因此不错通过涵养测试温度和电压，然后在器件的方向责任条目下推断数据来灵验地贬抑测试时辰。

发现与纯正电流联系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，然后将电荷击穿界说为电流到击穿时辰的积分，或应力电流乘以击穿时辰。

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

此外，测试时期的电子拿获不错平缓氧化物上的场，进一步加重上述高估。为幸免过度拿获而导致高估，建议将应力场保捏在特定阈值以下，把柄刘等东说念主的说法，该阈值低于8.5mV/cm ，把柄Zheng等东说念主的说法，该阈值低于 7 mV/cm。

氧化物可靠性也不错通过栅极电介质的安全责任区来描摹，该区域默示应力场温度空间，在该空间中，器件性能保捏在数据表轨范界限内，计议到击穿前的氧化物劣化。

栅极氧化物故障是一个首要的可靠性问题。因此，进攻需要检测制造建树早期故障的方法。举例，Zheng等东说念主建议在相对较高的电压下进行电压陡坡，而 Miki 等东说念主建议使用重迭的 Vth 测量来遗弃瞬态不沉稳性。

行为参考，在汽车行业中，轨范氧化物寿命在 108 秒界限内。2020 年，t63%（63% 的建树发生故障的时辰）在 150℃时被发现大于 106 s 。2021 年，另一项磋议发现，对于整个测试的供应商，t63%在 150 ?C 时均 > 108 s，讲解了 SiC MOSFET 技能的稳健性。

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SiC MOSFET 的短路沉稳性

短路沉稳性测试是评估器件在实际场景中可能出现的恶劣条目下的耐用性的另一种方法。

也不错使用相当高的漏极电压下的硬开关事件以及多样长度的导通脉冲来测试功率器件的沉稳性。从这个角度来看，要预计的联系参数是短路耐受时辰 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）还不错制定短路安全责任区 (SCSOA：Short-Circuit Safe-Operating-Area)。

SiC MOSFET 旨在取代 Si IGBT，其 τSC 约为 10μs。自 2013 年以来，这一方向也曾杀青 55，但并非系统性地杀青。为了涵养性能，在受压器件上加多源电阻被讲解是有益的，只须符合调养以不影响导通状态和开关性能即可。由于过驱动电压贬抑，流过器件的电流减少，但启动电流峰值保捏不变。这种电阻也不错集成在器件自己内。

更先进的缓解技能波及添加 Si MOSFET 来代替源电阻。这种方法，即 Baliga 短路改进见解 (BaSIC：Baliga short-circuit improvement concept)，相对于单源电阻方法，涵养了器件性能。

临了，就短路性能而言，沟槽状结构似乎相对于平面 DMOSFET 处于劣势。

不雅点

目下，SiC 和 GaN 器件王人处于高档诱骗阶段。两者王人找到了生意应用，并因其相对于硅同类器件在后果、稳健性和功率密度方面的改进而受到惊羡。翌日，估量这两种材料将继续磋议，以治理悬而未决的问题，涵养可靠性，并进一步增强其上风。

基于前几节中阐发的计议，合计单一材料是功率器件的最好选拔是不正确的，就像集成电路行业中的硅相同。事实上，GaN 和 SiC 具有私有的各自特色，而且每个王人不错为特定应用带来改进。举例，SiC 允许制造相当坚固的器件，从而杀青高功率开关调养器。

另一方面，GaN HEMT 领有速率和不凡的后果，这对于涵养中低功率调养器的功率/体积比至关首要。

翌日，GaN 有望达到更高的电压，甚而卓越 1200 V。要杀青这一方向，就需要改换的半导体结构，举例垂直 GaN 晶体管和合适的经济高效的衬底。目下，垂直 GaN 晶体管尚未达到妥贴凡俗生意化的老练度。但是，翌日此类器件（包括 finFET、MOSFET 和 JFET）的出现存望杀青比 SiC 器件更低的导通电阻值，同期杀青雪崩和短路沉稳性。对于 SiC 而言，领有约略杀青出色性能的肤浅结构，同期受益于 Si 基电子器件中累积的整个 SiO2 常识，这是一个相当首要的上风。这不错灵验欺压拿获征象、Vth 沉稳性和击穿性能。这将为 SiC 器件开辟新视线，用于在已知环境（如汽车）和更具开拓性的环境中处理不断加多的功率。第一个例子是火车牵引，由于后果的涵养，火车牵引不错由电板供电；另一个例子是电网级别的超高压应用，用于救援智能电网限制的改换电网管理技能。

在发轫进的翌日应用中，GaN、SiC 甚而 Si 开关在吞并瞥换器中的共存对于以最低资本获取最大性能至关首要。数学优化器具在这种情况下相当灵验，正如 Burkart 和 Kolar 等东说念主引入的多方向优化方法所见。该方法使用经过全心调养的紧凑模子来优化建树的选拔，以充分诳骗电力电子可用的整个不同半导体材料的上风。

在最密集的应用中，多个建树同期以串联或并联配置使用，主张是保管更高的电压或电流。在这些情况下，建树级分析必须通过系统级经营计议来完成。这些次序通常包括但不限于仔细管理热方面或缓解各个建树之间的电流/电压不屈衡。这种不屈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散布。因此可能会出现更高的电流过冲，而且可能需要贬抑电流才智以保捏在 SOA 限制内，从而导致固态开关的使用不优化。

论断

咱们空洞了目下市售的 GaN 和 SiC 功率晶体管的近况。领先商榷了联系的材料特色，并讲解了特定平台建树之间的结构各异。

领先通过比较数据表方向对两类建树进行比较，并要点热心 650V 建树，在这个电压界限内，GaN 和 SiC 晶体管共存，Si 建树得到了很好的发展。数据娇傲，在计议 RON × QG FOM、输入电容和反向收复电荷时，可用的 GaN 建树具有最好性能。另一方面，SiC 器件在调换方向上的性能稍差，但相对于 Si MOSFET 技能仍有很大改进。

还比较了更高电压的建树。GaN 阐述出更好的性能，但其发展仍然受到技能和可靠性问题的限制。在这个电压/功率界限内，计议到好多不同且具有竞争力的家具的大量商场可用性，SiC 代表了一种灵验的替代决议。然后分析了基于 GaN 和 SiC 的功率器件确面前应用限制，以及当代功率调养器中接受的主要电路拓扑。还描摹了翌日的应用。GaN 器件有望在破费电子和数据中心的电源以及家用电器中得到凡俗传播。GaN-SiC 共存将出当今光伏和汽车限制，而 SiC 将主导高功率、高压智能电网和列车牵引应用。

然后空洞了面前的可靠性和性能挑战，止境热心 Vth 不沉稳性过火联系的缓解政策。还描摹了与技能联系的方面。事实讲解，SiC 器件在运行经过中相当沉稳，VTH 偏移低得多，而且不会受到动态导通电阻效应的影响。它们是恶劣条目下的完竣选拔，因为它们在寿命和 SC 才智方面相当接近 IGBT 的性能。相悖，GaN 提供了更好、更快的开关，但对于 >1000 V 界限，可靠性仍在优化中。商场上也曾有透彻及格的 GaN 器件，具有简略的性能和可靠性。

把柄接洽发轫进 GaN 和 SiC 功率器件的现存文件，翌日性能和可靠性的改进旅途融会可见；咱们估量 GaN 和 SiC 技能将在翌日几年共存，具体取决于每个单独应用的具体要求以及联系的任务概况。与硅的竞争也将成为性能、可靠性和资本贬抑方面进一步优化的泉源。

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