SiC和GaN，新进展！

如今，减少对化石燃料的依赖是减缓气候变化的一个关键目标。在此背景下，电力转换器的效率、可再生能源的使用以及各种车辆和系统的电气化正发挥着至关重要的作用。

具体来说，提高电力转换器的效率是一种节约能源的方法，否则这些能源就会流失，从而提高已被广泛采用的系统（如电源、供暖通风和空调系统等）的整体效率。这是一种非常经济有效的方法，可以在不投资新基础设施的情况下节约大量能源。

在过去的几年里，电气化的趋势得到了广泛的关注，尤其是在大功率的日常用品中，如汽车、厨房用具和环境供热系统，这使得提高效率变得更加迫切。在汽车或光伏系统等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，这一点更为重要。与传统的硅器件相比，基于新型材料的晶体管具有更好的性能和可靠性，可以大幅提高功率转换器的效率。

使用宽带隙（WBG）半导体是应对这一挑战的一个非常有前景的方法。由于其特性，这些材料可用于制造电力电子器件（晶体管、二极管），在许多情况下，其性能优于目前可用的硅基器件。相关的 WBG 半导体的物理特性以及与硅的比较见表 I。

与硅相比，WBG 材料具有更高的临界电场，可实现在更高电压下工作的功率转换器，同时具有低导通电阻和高热导率。在这些受关注的 WBG 半导体中，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）在实现用于功率转换器（直流-交流逆变器和直流-直流转换器）的高压开关方面具有卓越的性能，重要的是，它们的成熟度和工业化水平较高：因此，如今已有几种商用器件可供使用，并已在许多应用中得到采用。

除碳化硅和氮化镓外，其他碳化半导体，如氧化镓、金刚石和氮化铝，从研究角度来看也具有重要意义，但它们目前的成熟度仍阻碍了以短期投放市场为目标的工业投资。不过，这些材料在特定应用领域具有重大意义，而且已经展示了可工作的器件。未来，微波半导体将更多地出现在电力电子市场上。由于每种材料的特殊性，我们应该期待不同技术的共存，每种技术都专注于特定的应用。

表 I ：用于电力电子器件的成熟和有前途的研究级半导体的主要材料特性（按带隙能，eg 排序）。其他报告参数包括 临界电场 (Ecrit)、电子迁移率 (μe)、电子饱和度 (Vs) 和热导率 (κth)

有鉴于此，本文介绍了目前较先进的商用碳化硅和氮化镓功率晶体管的特性。在第二部分中，我们从分立器件的角度出发，通过比较碳化硅和氮化镓晶体管（主要在 650 V 范围内），并强调基于这两种材料制造的器件与硅器件之间的主要差异，描绘了市场现状。在第三节中，我们介绍了此类半导器件目前和未来的应用。在第四节中，我们将讨论碳化硅和氮化镓进一步发展所面临的挑战，以及可预见的应用领域。最后，我们将在第五部分对这两种材料进行展望。

从历史上看，第一个在电力电子领域引起关注的 WBG 半导体是碳化硅。这主要是由于碳化硅与硅有很强的亲和力，可以很容易地复制已经巩固的器件结构。此外，碳化硅的原生氧化物是二氧化硅，而二氧化硅的特性和加工技术已经在硅基电子学的深入广泛研究中得到了深入探讨。因此，SiC 技术的发展得以迅速启动。

在电力电子领域对这种材料的研究开始十年后，即 1990 年左右，第一个碳化硅肖特基二极管实现了商业化。此后，随着技术的不断改进，市场上出现了电压范围高达 1700 V 的碳化硅 MOSFET、结场效应晶体管 (JFET) 和二极管。

氮化镓的历史始于发光二极管（LED）领域，与碳化硅一样在 1990 年左右开始受到电力电子领域的关注，氮化镓晶体管的首次演示可追溯到 1991 年。然而，就氮化镓而言，与碳化硅的情况一样，事先并不存在工业知识，因此需要更长的时间来获取和稳定这项技术。AlGaN/氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）利用了氮化镓的优点：由于存在原生二维电子气体（2DEG：2-D Electron Gas），这种器件可以实现低导通电阻和高开关频率晶体管。

第一款商用氮化镓功率场效应晶体管是在 Zhong 等人推出市场的，比第一款商用碳化硅器件晚了十年。如今，得益于科研和产业界的不懈努力，虽然大多数现有产品的额定电压为 650 V 或更低，但在市场上仍能找到额定电压高达 1200 V 的 GaN HEMT。据笔者所知，目前市场上还没有分立式氮化镓功率二极管。

功率晶体管要实现商业化，必须满足三个主要要求： 1) 能够承受足够高的电压和功率；2) 开关和传导损耗低；3) 实现常开常关操作。本文所分析的 WBG 半导体的固有特性使其适用于制造符合前两个约束条件的器件，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，目前市场上有两种不同的解决方案：垂直（vertical） MOSFET（平面栅极或沟槽栅极）和级联垂直（cascode vertical） JFET。这两种结构都能满足正常关断工作的要求，分别如图 1(a)-(c) 所示。

如前所述，氮化镓可以实现 HEMT。然而，AlGaN/GaN HEMT 是一种常开器件，不适合故障安全电源应用。为了实现常开-常关操作，目前有两种有效技术被广泛采用： 1) 使用 p-GaN 栅极堆叠，如图 1(d)所示；2) 使用级联配置，如图 1(e)所示。目前，在文献中提出的众多其他电子模式 GaN FET 拓扑中，市场上仅有这两种。

这些氮化镓和碳化硅拓扑结构的主要优缺点将在第二章 C 节中讨论。

目前，SiC 功率晶体管主要面向高电压应用，涵盖多个电压等级，如 650V、900V、1000V、1200V 和 1700 V。此外，供应商还提供购买带集成栅极驱动器（同一封装内的硅驱动器）和带温度传感器的完整功率模块的晶体管的可能性。

然而，就高电源电压而言，基于氮化镓的器件的推广几乎完全局限于 650 V 范围，因为市场上只有一家供应商提供 900 V 和 1200 V 等级的解决方案：在 900 V 以上，基于碳化硅的晶体管仍然是设计电源转换电路的首选。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，氮化镓供应商还提供购买单片集成驱动器晶体管的可能性，这一点至关重要： 1) 降低栅极回路电感（以尽量减少导通时的栅极应力）；2) 减小共源电感（以实现更高的压摆率）；3) 设计高效的热保护和电流保护电路。

图 1. 商用碳化硅和氮化镓功率晶体管中使用的不同半导体结构示意图。(a) SiC 垂直平面栅极耗尽型 MOSFET。(b) 碳化硅垂直双沟槽 MOSFET。(c) SiC 垂直级联 JFET。(d) 氮化镓 p-GaN 栅极 HEMT。(e) 氮化镓级联 HEMT。

为了进一步了解和更好地理解市售解决方案之间的差异，我们决定比较 650 V 范围内的碳化硅和氮化镓分立晶体管，以及一些额定电压更高的产品，以便进行更全面的分析。表 II 报告了从比较器件的数据表中提取的主要相关参数，这些器件选自不同的制造商（并非详尽无遗的清单）。选择的依据是连续漏极电流能力（30 至 50 A 之间）和典型导通电阻值（约 50 m），以便进行公平的比较。

在 650 V 范围内，比较了不同的碳化硅场效应晶体管、氮化镓场效应晶体管和一种硅 MOSFET。RON × QG 功效值（FOM）是评估场效应晶体管效率的一个广泛使用的指标，因为它同时考虑了传导损耗和开关损耗。从设计上讲，很难同时降低导通电阻和栅极总电荷，因此这个 FOM 是一个很好的比较基础（尽管它并不是唯一的依据。

在所有器件中，氮化镓电子模式(e-mode) HEMT 的 RON × QG 值较低，与基于其他半导体技术的竞争对手相比，至少提高了四倍（从碳化硅和硅器件的 RON × QG > 1500 m-nC 到 RON × QG > 300 m - nC）。如果考虑级联 GaN HEMT，则改进幅度仅限于 2 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级联HEMT的输入电容CIN则较高（由于使用硅MOSFET驱动常开器件），SiC晶体管的输入电容CIN也较高（超过900 pF）。硅功率 MOSFET 的输入电容甚至更高（超过数千 pF）。

此外，必须注意的是，氮化镓电子模式 HEMT 的反向恢复电荷为零（由于不存在传统的 MOSFET 体二极管），而碳化硅和氮化镓级联 HEMT 的反向恢复电荷为 100 nC，而硅 MOSFET 的反向恢复电荷为数千 nC。高反向恢复电荷会导致转换器的效率下降，并可能在运行过程中造成电压和/或电流尖峰，因此采用低值。图 2(a)通过雷达图对上述参数进行了比较，突出显示了 GaN HEMT 更好的性能。

比较功率晶体管的其他重要参数包括导通延迟时间（td-on： turn-on delay time）、上升时间（tr：rise time）、关断延迟时间（td-off：turn-off delay time）和下降时间（tf：fall time）。它们描述了晶体管快速导通和关断的能力。从这一点来看，本文分析的不同技术之间的差异并不突出，但图 2(b) 中的雷达图显示，氮化镓电子模式 HEMT 平均表现出更好的性能。另一方面，与氮化镓电子模式器件相比，由于硅 MOSFET 的存在，氮化镓级联 HEMT 的导通/关断能力较慢，而与碳化硅和硅功率晶体管相比，则表现出相当的性能。如果以导通/关断时间作为参考指标，则氮化镓功率电子模式场效应晶体管更可取。

图 2. 用于比较表 II 所列 650 V 等级碳化硅、氮化镓和硅器件的雷达图。(a) 报告栅极总电荷、RON × QG FOM、输入电容和反向恢复电荷的雷达图。(b) 报告开启和关闭延迟时间以及上升和下降时间的雷达图。

表 II ：在 600/650 V 电压范围内，来自不同知名供应商的选定商用碳化硅和氮化镓功率晶体管的比较，它们的漏极电流都在 30-50 A 范围内，典型导通电阻值都在 50 MΩ 左右。此外，还增加了 650 V 和 900 V SI MOSFET，以及额定电压较高（900 V 和 1200 V）的 SiC 和 GaN 器件，以资比较。该表报告了以下参数： 材料、供应商、部件、正常关断结构类型（N-OFF 类型）、额定漏源电压 (VDS)、典型导通电阻 (RON)、漏极电流 (ID-max)、 总栅极电荷 (QG)、RON QG FOM、总输入电容 (CIN)、导通延迟时间 (tD-on)、上升时间 (tr)、关断延迟时间 (tD-off)、下降时间 (tf) 和反向恢复电荷 (Qrr)。本表并非市售晶体管的详尽清单

更高的电压范围对未来不同领域的电力电子产品具有重大意义（将在第三部分进一步讨论），因此值得对额定用于此类工作环境的器件进行简要比较。由于目前氮化镓的高电压可达 1200 V，我们在图 2 中采用了与 650 V 市场段比较相同的雷达图，对 900 V 和 1200 V 范围内（除 650 V 外）的氮化镓和碳化硅进行了比较。图 3 概括了更高电压段的新比较，每个电压范围和每种半导体技术包括一个器件。表 II 中的 900 V 硅 MOSFET 不包括在内，因为它的性能无法与所有其他产品相比。

图 3. 表 II 中列出的 650、900 和 1200 V 等级碳化硅、氮化镓和硅器件的比较雷达图（表 II 中列出的 900 V 硅 MOSFET 因性能太差而未包括在内）。(a) 报告栅极总电荷、RON×QG FOM、输入电容和反向恢复电荷的雷达图。(b) 报告开启和关闭延迟时间以及上升和下降时间的雷达图。

图 3 的雷达图再次凸显了氮化镓晶体管更好的动态性能，即使在更高的电压范围内也是如此，这也证实了之前在 650 V 范围内的结论。尽管如此，必须强调的是，目前较高电压氮化镓晶体管的性能和可靠性仍在优化之中（这一主题将在第四部分进一步讨论）。此外，值得提醒的是，在 900-1200 V 电压范围内，市场上只有两种基于氮化镓的解决方案，而碳化硅 MOSFET 可轻松达到 1700 V 工作电压，许多知名供应商提供了数十种选择。

从成本角度来看，基于这两种材料的分立器件在价格上的差异是有限的。如果我们比较表 II 中 650 V 器件的销售价格，截至 2023 年 8 月，硅基器件的价格是较便宜的。氮化镓分立晶体管的价格将上涨 30%，碳化硅分立晶体管的价格将上涨 50%，但价格仍低于 18 美元。对于更高的电压器件，成本更为一致，硅器件的价格与碳化硅持平，而氮化镓的价格将上涨 20%（以 650 V 电压范围为准）。这表明，选择这两种技术中的任何一种对转换器的材料清单（BOM）影响有限。不过，如果我们考虑到某些器件允许转换器在更高频率下工作，从而减少了对笨重和昂贵的无源元件的需求，那么对总体成本的推理就会发生变化。

作为一般性评论，上述雷达图有助于理解为什么在高压和大功率领域，电力电子器件正在向碳化硅或氮化镓等 WBG 半导体发展。

除单个晶体管外，包含多个器件的模块也已实现商业化。这些模块旨在大幅降低寄生元件的有害影响（寄生元件会严重限制高频工作时的性能），并改善热管理，最终实现更大功率密度下的高电压和大电流工作。这些模块可包含半桥或全桥等各种可能配置的晶体管（如果是碳化硅，还可包含二极管），在与特定外部元件配对时，可轻松实现不同的功率转换器拓扑结构。

图 4. 不同功率器件技术的频率和功率范围。请注意，与硅基器件相比，碳化硅和氮化镓器件的工作频率和功率要高得多。

与硅基器件相比，碳化硅和氮化镓功率晶体管由于击穿场强更大（>3 mV/cm），因此体积更小（减少了die面积），并且由于能带隙更宽，可以承受更高的温度。由于 RON 值较低，传导损耗也有所降低，从而有助于提高功率转换器的整体效率，最终需要更小的散热器和冷却系统。从动态角度来看，输入电容和栅极电荷的减少有助于简化器件驱动，从而实现更高频率和更低损耗的运行。如图 4 所示，SiC 和 GaN 还扩大了 Si MOSFET、IGBT 和超结 Si MOSFET 的工作功率区域（和频率）。

采用碳化硅和氮化镓器件所能达到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，从而减轻电子元件的重量和体积，这对于电动汽车等电池驱动应用以及提高功率密度具有重大意义。

尽管基于碳化硅和氮化镓的晶体管从多个角度看都具有多项优势，但它们并没有被广泛应用于所有领域，而这些领域都将受益于它们的适当结合。目前，这类器件在两个不同领域发挥着重要作用。混合动力汽车和电动汽车的牵引逆变器广泛采用了基于碳化硅的器件（特斯拉自 2017 年起开始使用碳化硅晶体管），而在超跑和赛车的车载充电器（OBC）和牵引逆变器中，它们的用量也较少。因此，SiC 晶体管目前主要面向汽车市场。

另一方面，氮化镓通常用于实现智能手机和个人电脑的电源和充电器，因为与传统的硅基交流-直流转换器相比，氮化镓具有更高的开关频率，可实现更大功率的充电器，而体积却要小三倍。基于氮化镓的晶体管在高端光伏逆变器中的用量也较少，这表明目前氮化镓功率器件更偏向于消费电子产品。

由于成本的不断降低和工作电压的不断提高，未来将有更多领域受益于碳化硅和氮化镓的特殊性能。特别是，基于上述两种微波基极材料的晶体管有望进一步进入目前由硅器件主导的领域，如 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、栅极关断 (GTO：gate turn-off) 和硅控整流器。当然，这两种技术的具体应用领域取决于目标电压水平，如图 5 所示。

图 5. 氮化镓和碳化硅功率器件当前和未来的关注领域。部分图表转载自 www.flaticon.com。

1) 400 V 以下，预计氮化镓将主导市场。这一范围相当于单相和三相系统的较高家用电源电压，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 可望合作共存，具体取决于每个应用中处理的功率水平。在这一电压范围内，有可能出现用于可再生资源的逆变器、用于工业电机控制的逆变器以及汽车领域的一些应用。由于对汽车电气化的兴趣和需求与日俱增，后者对这两种半导体都具有极大的吸引力。在混合动力汽车和/或电动汽车中，不同的电气设备都需要使用功率转换器，因此也需要使用功率晶体管（见图 6）。实现电力电子元件的高效率、低尺寸和低重量对于延长汽车续航里程、提高舒适性和汽车性能至关重要。

图 6. 混合动力/电动汽车的主要电气和电子构件。

3) 1200 V 以上电压的碳化硅有望在电动火车牵引、风力涡轮机应用和智能电网中发挥重要作用。目前，电动火车牵引对 SiC 极具吸引力，因为其电压在千伏范围内（普通火车可达 5 千伏），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 还将在电压更高的系统中发挥作用，如高速列车，其电压可高达 25 千伏。

对于当前的应用，可根据电压、功率和开关频率要求采用不同的电路拓扑结构。

对于硅基氮化镓，我们首先考虑 USB-C 适配器的情况，它是硅基氮化镓产品市场上采用较快的产品。功率水平可从 33 W 到 250 W 。如果我们考虑负载低于 70 W 的应用，在不需要功率因数校正 (PFC) 的情况下，常见的拓扑结构是准谐振反激式（quasi-resonant flyback），其次是有源箝位反激式（active clamp flyback）。氮化镓器件可以达到很高的频率，但在这些情况下，它们的频率被限制在 300 kHz 以避免电磁干扰 (EMI) 问题。

对于高功率应用，由于需要一个 PFC 升压级作为前端，因此采用了多级拓扑结构。以下各级的拓扑结构与上述相同，但也包括桥式拓扑结构。当需要多个输出电压时，也可以采用硅基级：在这种情况下，硅基开关用于负责直流-直流转换的最后级。

最后，在这种情况下，基于氮化镓的设计可实现更高的功率密度，约为 1.5-1.9 W/cm3 ，2015 年谷歌 LittleBox 挑战赛的结果为 8.7 W/cm3[18]。不过，在设计箝位电路（如果是有源电路则更好）和考虑电压应力时必须小心谨慎，以提供适当的净空，避免 GaN 器件漏极至源极击穿。

氮化镓器件仍有可能处理更高功率（大于 250 瓦），但在这种情况下，软开关或零电压开关（ZVS：zero-voltage-switching）拓扑是首选。具体来说，我们考虑了谐振 LLC 拓扑。在半桥配置中，使用氮化镓器件可实现更高的频率和效率。

正如第二章 C 节所述，氮化镓器件可减少栅极电荷、输出电容、反向恢复时间和电荷，从而分别降低驱动损耗、开关损耗和反向恢复损耗。此外，氮化镓器件还能实现无二极管 H 桥配置，并具有反向传导能力。带并联二极管的 IGBT 或使用硅 MOSFET 的内部体二极管也能实现这些功能，但 GaN 解决方案的效率更高，因为它的 Qrr 更低。

碳化硅器件可用于大功率应用，并已用于实现桥式（或列车牵引用斩波器）拓扑结构的模块中。这些器件和模块通常用于处理大功率的逆变器中。特别是在光伏逆变器中，需要考虑不同的拓扑结构，从两电平、六组基本拓扑结构到更先进的三电平拓扑结构。就效率和零件数量而言，较佳选择是 T 型中性点箝位拓扑结构。

在兆瓦级的大功率、无变压器设计中也会考虑使用碳化硅晶体管：例如，在火车牵引系统中使用碳化硅晶体管可将低频交流导线管电压调整为驱动电机所需的高频交流电压。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，例如直流-直流部分采用谐振 LLC 转换拓扑结构。

在传统转换器中加入碳化硅二极管，也可利用碳化硅的优势。利用其较小的尺寸、快速反向恢复和高温耐受性，可以成功实现混合设计。

在前面的章节中，我们已经看到碳化硅和氮化镓功率器件是如何被越来越多的应用案例所采用的，并在这些应用案例中利用了它们的特殊性能。然而，正如学术界和工业界所做的那样，持续的研究和开发过程不仅对提高器件性能，而且对提高其可靠性都是十分必要的。

如图 1 所示，由于碳化硅和氮化镓两种材料技术的成熟度不同，而且通常采用的器件结构也各不相同，因此在比较碳化硅和氮化镓器件时，需要应对的挑战也各不相同。具体来说，应注意载流子在沟道内的引入和限制方式的不同。例如，在基于碳化硅的 MOSFET 结构中存在氧化物有助于减少与栅极相关的漏电，从而提高了禁锢效果（confinement），但这也导致了与 GaN HEMT 栅极堆对应的物理过程不同的电荷捕获情况。

此外，传统硅基 MOSFET 的经典结构和掺杂方案在氮化镓 HEMT 中并不存在，沟道的形成是氮化镓极化特性的结果：这也影响了氮化镓器件在特定应力情况下的响应。

下文将简要回顾提高氮化镓和碳化硅晶体管可靠性的关键技术挑战。

在功率晶体管的开发过程中，无论采用哪种材料，都面临着一个重要挑战，那就是如何缓解工作过程中出现的阈值电压（Vth）正负偏移。例如，考虑到常关断器件，正 Vth 变化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，并可能引发器件过早关断。另一方面，负 Vth 值偏移可能导致更糟糕的情况，即由于错误的导通事件或关断状态抑制，器件控制部分丧失。在开关转换器中，这种可能性构成了严重的危险，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不安全的运行条件。

对于硅器件而言，此类问题早已得到解决，级联配置对 Vth 值偏移的稳健性证明了这一点，在级联配置中，WBG 器件由传统的硅器件控制。然而，对于基于 WBG 材料的其他类型晶体管来说，问题依然存在，需要加以解决。研究 Vth 值偏移的典型方法或加速应力条件是偏置温度不稳定性 (BTI)，或在栅极端不同温度下施加正偏置 (PBTI) 或负偏置 (NBTI)。在氮化镓领域，对于未优化的电子模式 HEMT，不同的机制可导致正偏压应力下的正负 Vth 漂移，如图 7 所示。

图 7：（a）p-GaN 栅极 HEMT 栅极叠层中不同的电子和空穴捕获机制引起的正阈值电压偏移和（b）负阈值电压偏移。这些曲线是参照 t = 10 µs 时的初始阈值电压值绘制的。经 A. Stockman 等人授权转载，© 2021 IEEE [22]。

图 8. 碳化硅（a）和氮化镓（b）功率晶体管栅极堆栈中导致 Vth 值偏移的捕获机制。请注意载流子在沟道中的禁锢不同。在 SIC MOSFET 中，涉及的主要机制是：SiC 和 SiO2 之间的界面和边界陷阱的电子捕获（1a），氧化物中的空穴捕获（3a）[空穴通过撞击电离事件产生（2a）]。在电子模式 HEMT 中，主要机制是：AlGaN/GaN 界面和 AlGaN 陷阱中的电子捕获（2b）、p-GaN/AlGaN 界面的空穴积累（5b）和 AlGaN 中随之产生的空穴捕获（6b）、电子和空穴越过 AlGaN 势垒（分别为 1b 和 4b）、缓冲器中的空穴捕获（7a）和缓冲器与应变消除层界面上的空穴捕获（8a）。

通过栅极叠层过程的变化和优化，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 值偏移，从而实现稳定的 Vth 值。Vth 值偏移实际上是由位于器件界面和不同区域内的缺陷辅助的捕获现象引起的（见图 8）：因此，改善界面和材料质量对于缓解这类过程至关重要。

从文献中可以发现，Vth 不稳定性也可能产生于关断态工作。事实上，高漏极偏置会诱发 Vth 值偏移，如 Chen 等人发现的正 Vth 值偏移（VD = 200 V 时高达 1 V）：这种漏极诱发的 Vth 值偏移尚未得到广泛研究和深入理解，因此是未来研究的一个开放点。

就栅极电介质附近的俘获而言，基于碳化硅的 MOSFET 具有优势，因为其在室温下稳定的原生氧化物是众所周知的二氧化硅，这种氧化物已在基于碳化硅的电子产品中使用了几十年。

图 9. 室温下正偏压应力期间 4H-SiC n-MOSFET 中可见的非单调阈值电压偏移。转载自 F. Masin 等人，经 AIP 出版社许可。

对二氧化硅的广泛研究为碳化硅 MOSFET 的开发奠定了坚实的基础。尽管如此，SiC-SiO₂ 之间的界面质量比 Si-SiO2 之间的界面质量要低，因此会产生更多的缺陷、更多的捕获，从而导致工作期间 Vth 值变化更大。

对于使用 PBTI 的 4H-SiC MOSFET，文献中多次观察到正偏移，与应力时间的对数呈线性和超线性关系。偏移的幅度远低于在 GaN 中观察到的偏移，但在高电压和高温条件下会变得相当大（1-5 V）。这种偏移一般归因于电子隧穿到近表面间氧化陷阱。

其他报告显示，如图 9 所示，电子位移的动态变化存在两个阶段，这可归因于两个不同捕获过程的竞争。

1) 最初的正偏移，具有对数时间依赖性，通常与界面上的捕获有关，并使用抑制模型进行描述。

2) 负偏移，归因于氧化物内部通过撞击电离产生空穴，如图 9 所示。这里观察到的时间依赖性是指数型的。

级联和电子模式氮化镓 HEMT 面临的重要挑战之一是在关态或半导通偏压下导通电阻（RON）的可恢复性增加。

这对功率晶体管非常重要，因为在关态工作期间，晶体管会承受非常高的漏极电压，从而导致电子注入表面态和/或缓冲陷阱。当器件在不同的漏极偏置水平下工作时，这些现象会导致沟道电导率的整体下降，从而增加导通电阻，而由于电子捕获（在表面态和/或缓冲器态）和其他机制（如漏极应力期间产生正电荷（即电子从缓冲器转移到沟道所产生的空穴））的相互作用，导通电阻会出现不稳定性。在半导通状态下，导通电阻的增加会进一步加剧，半导通状态是器件在开关过程中跨越的一个工作点。

抑制导通电阻增加的一种方法是使用混合漏极 (HD)，即在漏极接触中嵌入一个 p-GaN 层，以便在关态和半导通态工作时注入空穴。这样可以抵消电子捕获，从而保持导通电阻。Fabris 等人通过一系列实验探索了这种方法的有效性，这些实验强调了在关态和半导通状态工作时不同漏极静态偏置 (QB) 下的导通电阻行为。

在功率转换器的开关操作过程中，可能会出现不同的击穿机制，导致固态开关发生灾难性故障。一般来说，GaN FET 必须在考虑所有击穿机制的基础上进行优化，以进一步发展技术，提高额定电压和使用寿命。

从栅极的角度来看，考虑到导通状态工作，级联模式和电子模式氮化镓场效应晶体管的击穿机制有所不同。在第一种情况下，栅极实际上相当于硅 MOSFET 的栅极，可能会出现众所周知的随时间变化的介质击穿（TDDB：time-dependent-dielectric-breakdown）。在电子模式氮化镓场效应晶体管中，即使栅极堆栈中没有任何电介质，正偏压暴露仍会导致随时间变化的劣化和击穿。

在硅基氮化镓器件中，漏极到基片的击穿通常出现在电压远高于额定值的情况下，通常超过 1000 V 。然而，在制造高压氮化镓场效应晶体管时，必须考虑并优化这种击穿。提高器件对这一现象的稳健性的方法是局部移除衬底 ，或以较低的成本使用蓝宝石衬底代替硅衬底，如 Gupta 等人在 1200 V GaN 开关上所演示的那样。

最后，HEMT击穿的一个热门话题与雪崩（avalanche）有关。与硅和碳化硅 MOSFET 相比，氮化镓 HEMT 的冲击电离系数要低得多；因此，它们的雪崩行为也有所不同。不过，它们能够承受远高于额定值的电压，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）。这些器件还具有出色的浪涌能力。不过，需要对这些能力进行研究，以量化晶体管对开关瞬态期间可能发生的电压过应力事件的稳健性。

由于开发阶段相对较早，目前还在研究其他因素，如 SC 和浪涌能量能力（surge energy capabilities）。氮化镓晶体管（包括电子模式和级联类型）在进行SC测试时，可能会出现不同的退化和/或失效机制。GaN HEMT 的浪涌能量与过压稳健性密切相关，器件不显示雪崩能力。相反，对于硅和碳化硅晶体管，器件的浪涌能一般与雪崩能有关 。一般来说，GaN HEMT 在设计上具有足够高的动态击穿电压，以承受过压瞬态。

SiC MOSFET 的一个关键可靠性方面是栅极氧化物击穿。这种故障有两种物理解释：第一种是由场驱动的，即在外部场的作用下化学键被削弱；另一方面，第二种解释与通过隧道的电荷流有关。由于二氧化硅和碳化硅之间的带偏移减小，相对于硅 MOSFET 而言，隧道电荷流有所缓解。

具体来说，我们发现在高电场、低温条件下会出现 Fowler-Nordheim 隧道效应，而在低电场、高温条件下则会出现热辅助隧道效应。在测试器件对栅极氧化物失效的鲁棒性时，主要的 FOM 由失效时间 (TTF) 表示，然后用来计算栅极电介质在特定工作情况下的预期寿命。一种广泛采用的方法是对栅极施加恒定的应力电压，监测电流直至击穿发生。这种方法可以评估 TDDB 现象，因此测试时间可能很长。由于寿命随温度和电压而变化，因此可通过提高测试温度和电压，然后推断器件目标工作条件下的数据，从而有效缩短测试时间。

研究发现，与隧穿电流有关的失效机制与另一种评估方法--电荷击穿法--是一致的，后者依赖于对器件击穿前通过栅极堆栈的总电荷进行评估。在这种情况下，对栅极施加恒定电流应力，然后将电荷至击穿定义为电流至击穿时间的积分，或应力电流乘以击穿时间。

在某些情况下，电荷击穿会导致高估氧化物的寿命，但基于 TDDB 的方法中也存在这个问题，在高场强下的整体生成和捕获会导致过早失效，从而高估低场强下的寿命。此外，测试过程中的电子捕获也会放松氧化物上的磁场，进一步导致上述高估。为避免导致高估的过度捕获，建议将应力场保持在特定阈值以下，Liu 等人认为应力场应低于 8.5 mV/cm，Zheng 等人认为应力场应低于 7 mV/cm。

氧化物可靠性还可以通过栅极电介质的安全工作区域来描述，该区域代表器件性能保持在数据手册规格范围内的应力场-温度空间，并考虑到击穿前的氧化物降解。

栅极氧化物失效是一个重要的可靠性问题。因此，我们亟需检测人造器件早期故障的方法。例如，Zheng 等人建议在相对较高的电压下使用电压斜坡，而 Miki 等人则建议使用重复的 Vth 测量值来排除瞬态不稳定性。

作为参考，汽车行业的标准氧化物寿命为 108 秒。2020 年，在 150◦C 条件下，t63%（63% 的器件失效的时间）大于 106s 。2021 年，另一项研究发现，在 150◦C 下，所有受测供应商的 t63% 均大于 108s ，这证明了 SiC MOSFET 技术的稳健性。

图 10. 有无 MOSFET 作为源电阻连接的器件短路波形比较。在 CM1 和 CM2 波形中可以观察到电流峰值和平均值的降低。经 A. Kanale 和 B. J. Baliga 授权转载，© 2019 IEEE 。

在现实世界中可能出现的恶劣条件下，SC 鲁棒性测试是评估器件耐用性的另一种方法。

功率器件的稳健性也可以通过在极高漏极电压下的硬开关事件和不同长度的导通脉冲进行测试。在这种情况下，需要估算的相关参数是短路耐受时间 τSC 和存储在器件中的临界能量 EC。对电压和电流波形的评估（见图 10）还有助于制定短路安全工作区 (SCSOA)。

SiC MOSFET 意在取代 Si IGBT，后者的 τSC 约为 10µs。自 2013 年以来，这一指标已经达到，但并非系统性地达到。为了提高性能，在受压器件上增加一个源电阻被证明是有益的，只要调整得当，就不会影响导通状态和开关性能。由于过驱动电压降低，通过器件的电流减少，但初始电流峰值不变。

更先进的缓解技术包括添加硅 MOSFET 来代替源极电阻。与单源电阻方法相比，这种方法（即 Baliga 短路改进概念 (BaSIC)）可提高器件性能。

最后，就短路性能而言，沟槽式结构似乎比平面 DMOSFET 更为不利。

目前，碳化硅和氮化镓器件都处于高级开发阶段。与硅器件相比，这两种器件都能实现商业应用，并在效率、稳健性和功率密度方面有所提高，因而备受赞誉。未来，这两种材料的研究有望继续进行，以解决未决问题、提高可靠性并进一步增强其优势。

根据前面几节所报告的考虑因素，认为单一材料是功率器件的较佳选择是不正确的，就像集成电路行业使用硅材料一样。事实上，氮化镓和碳化硅都具有独特的性能，每种材料都能为特定应用带来改进。例如，碳化硅可以制造非常坚固的器件，从而实现大功率开关转换器。另一方面，氮化镓 HEMT 具有速度快、效率高的特点，这对提高中低功率转换器的功率/体积比至关重要。

未来我们对 GaN 的期望是能够达到更高的电压，甚至超过 1200 V。为了实现这一目标，需要创新的半导体结构，例如垂直 GaN 晶体管，以及合适的具有成本效益的衬底。 目前，垂直GaN晶体管尚未达到适合广泛商业化的成熟度水平。 然而，此类器件（包括 finFET、MOSFET 和 JFET）的未来推出，预计将能够实现相对于 SiC 同类器件更低的导通电阻值，同时实现雪崩和短路鲁棒性。

对于碳化硅来说，结构简单、性能卓越，同时又能受益于二氧化硅在硅基电子产品方面积累的所有成熟知识，是一个非常重要的优势。这样就能有效控制阱坪现象、Vth 稳定性和击穿性能。这将为碳化硅器件开辟新的前景，使其在已知的情况下（如汽车动力）和更具开创性的情况下都能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，可以采用电池供电；另一个例子是电网级的超高压应用，用于支持智能电网领域的创新电网管理技术。

在未来较先进的应用中，氮化镓、碳化硅甚至硅开关在同一转换器中的共存对于以较低成本获得较高性能至关重要。数学优化工具在这种情况下非常有效，正如 Burkart 和 Kolar 等人提出的多目标优化方法，该方法使用经过良好调整的紧凑模型来优化器件选择，以充分利用电力电子器件中所有不同半导体材料的优势。

在较密集的应用中，几个器件同时串联或并联使用，目的是承受更高的电压或电流。在这种情况下，设备级分析必须通过系统级设计考虑来完成。这些考虑因素通常包括（但不限于）对热方面的谨慎管理，或减轻单个器件之间的电流/电压不平衡。这种不平衡会引起静态和动态性能变化，从而导致传导和开关损耗不均以及瞬态电流分布不均。因此会出现较大的电流过冲，可能需要降低电流能力以保持在 SOA 限制范围内，从而导致固态开关的使用无法优化。

我们概述了市售氮化镓和碳化硅功率晶体管的现状。首先讨论了相关的材料特性，并证明了特定平台器件之间的结构差异。

首先通过比较数据表指标对这两个系列的器件进行了比较，并将重点放在 650 V 器件上，在这一电压范围内，基于氮化镓和碳化硅的晶体管并存，而碳化硅器件则发展良好。数据显示，考虑到 RON × QG FOM、输入电容和反向恢复电荷，现有的氮化镓器件具有较佳性能。另一方面，碳化硅器件在相同指标上的性能稍差，但与硅 MOSFET 技术相比仍有很大改进。

我们还对更高电压的器件进行了比较。氮化镓表现出更好的性能，但其发展仍受到技术和可靠性问题的限制。在这一电压/功率范围内，考虑到市场上有大量不同的竞争产品，SiC 是一种有效的替代方案。

随后分析了氮化镓和碳化硅功率器件目前的应用领域，以及现代功率转换器采用的主要电路拓扑结构。此外，还介绍了未来的应用。氮化镓器件有望在消费电子产品、数据中心和家用电器的电源中得到广泛应用。氮化镓-碳化硅共存将出现在光伏和汽车领域，而碳化硅将在大功率、高电压智能电网和列车牵引应用中占据主导地位。

然后概述了当前的可靠性和性能挑战，尤其关注 Vth 不稳定性和相关的缓解策略。此外，还介绍了与技术相关的方面。事实证明，碳化硅器件在运行过程中非常稳定，VTH 值漂移低得多，而且不会受到动态导通电阻效应的影响。它们是恶劣条件下的较佳选择，因为在使用寿命和 SC 能力方面，它们的性能非常接近 IGBT。相反，氮化镓（GaN）开关性能更好、速度更快，但在大于 1000 V 的电压范围内，可靠性仍在优化之中。市场上已有完全合格的氮化镓器件，具有良好的性能和可靠性。

根据有关较先进的氮化镓和碳化硅功率器件的现有文献，未来在性能和可靠性方面都有明确的改进途径；我们预计氮化镓和碳化硅技术将在未来几年内并存，这取决于每个应用的具体要求和相关的任务概况。在性能、可靠性和降低成本方面，与硅的竞争也将是进一步优化的源泉。

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