3GaN晶体管的击穿机制 在功率变换器的开关操作中，多种击穿机制可能导致固态开关的灾难性失效。GaN FET需针对所有击穿机制进行优化，以提升额定电压和寿命。 1）栅极相关击穿 •共源共栅GaN FET：栅极结构与硅基MOSFET类似，可能发生时间依赖性介质击穿（TDDB）[37]。 •增强型GaN FET：即使无栅介质层，正偏压仍会导致时间依赖性退化与击穿[38]。 2）漏极-衬底击穿 GaN-on-Si器件在电压远超额定值（通常>1000 V）时易发生漏极-衬底击穿[39]。改善措施包括： •局部衬底去除[39]； •低成本替代方案：采用蓝宝石衬底替代硅衬底（Gupta等人[40]已实现1200 V GaN器件）。 3）雪崩击穿特性 GaN HEMT的碰撞电离系数远低于Si/SiC MOSFET，因此其雪崩行为不同。但其动态击穿电压（与关断脉冲时长相关）可显著高于额定值[41,42]，并表现出优异的浪涌能力[43]。需进一步量化其在开关瞬态过压事件中的鲁棒性。 4GaN晶体管的其他挑战 由于GaN技术仍处于早期发展阶段[44]，以下问题仍需深入研究： 短路与浪涌能量能力 •短路测试：增强型与共源共栅GaN器件可能表现出不同的退化/失效机制。 •浪涌能量：与过压鲁棒性紧密相关，但GaN HEMT无雪崩能力（Si/SiC器件依赖雪崩能量[47]）。GaN器件通常通过设计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的栅氧化层失效是可靠性关键问题，主要机制包括： 失效机制 1.场驱动失效：外场作用下化学键弱化； 2.电荷隧穿失效：因SiO2/SiC间带偏移较小，隧穿电流更易发生。 •福勒-诺德海姆隧穿（高场强、低温）； •热辅助隧穿（低场强、高温）[49]。 可靠性评估方法 •时间到失效（TTF）：通过恒压应力测试评估TDDB，推算栅介质寿命[37]。 •电荷到击穿（QBD）：施加恒流应力，计算击穿前总电荷量[48]。 测试注意事项 •过估计风险：高场强下陷阱生成/捕获可能导致寿命评估偏长[48-50]。 •安全操作区（SOA）：定义栅介质的应力场强-温度范围，确保性能符合规格[51]。 行业标准 •汽车领域要求栅氧化层寿命达108秒量级。2020年测试显示150°C下t63%（63%器件失效时间）>106秒[50]；2021年研究进一步验证t63%>108秒[29]。 6SiC MOSFET的短路性能 短路测试用于评估器件在严苛工况下的耐受能力，重点关注参数： 关键指标 •短路耐受时间（τSC）：SiC MOSFET需替代τSC≈10μs的Si IGBT。自2013年达标后[55]，仍需系统性优化。 •临界能量（EC）：器件存储的临界能量。 •短路安全操作区（SCSOA）：通过电压/电流波形分析定义（见图10）[54]。 性能提升技术 •源极电阻法：减少过驱动电压以降低电流，但需平衡导通/开关性能[56]。 •Baliga短路改进概念（BaSIC）：用Si MOSFET替代源极电阻，显著提升性能[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的短路波形对比（CM1、CM2波形显示电流峰值与均值降低）。 05展望 当前，SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）器件均处于先进的开发阶段。两者均已实现商业化应用，并因其在效率、鲁棒性和功率密度方面相较于硅基器件的显著提升而备受赞誉。未来，针对这两种材料的研究将持续推进，以解决现存问题、提高可靠性并进一步增强其优势。 基于前文分析，若将单一材料视为功率器件的最佳选择（如硅在集成电路行业的地位），这一观点并不正确。实际上，GaN与SiC各具独特性能，可分别优化特定应用场景。例如，SiC能够制造高鲁棒性器件，适用于大功率开关变换器；而GaN HEMT则以速度和超高效著称，这对提升中低功率变换器的功率/体积比至关重要。 1GaN器件 未来GaN的目标是突破更高电压（如1200 V以上）。为实现这一目标，需开发创新的半导体结构（如垂直GaN晶体管）及高性价比衬底。目前，垂直GaN晶体管尚未达到广泛商业化所需的成熟度。然而，此类器件（包括FinFET、MOSFET和JFET）的推出有望实现比SiC更低的导通电阻（RON），同时兼顾雪崩和短路性能。 2SiC器件 SiC的优势在于其结构简单且性能卓越，同时受益于硅基电子技术中SiO2的成熟经验。这使其能够有效控制陷阱现象、阈值电压稳定性及击穿性能。未来，SiC器件将在传统领域（如汽车电子）和新兴领域（如列车牵引、智能电网高压应用）中处理更高功率。例如，得益于效率提升，列车牵引可转向电池供电；而智能电网中的高压应用将支持创新电网管理技术。 3多材料协同与系统级设计 在高端应用中，GaN、SiC甚至硅器件的共存可能成为实现最优性能与成本平衡的关键。数学优化工具（如Burkart和Kolar等人[60]提出的多目标优化方法）可通过精确建模，充分挖掘不同半导体材料的优势。此外，在高强度应用中，多器件串联或并联需结合系统级设计，重点关注热管理、电流/电压均衡等问题。失衡可能导致静态/动态性能波动[61]，引发导通/开关损耗不均、瞬态电流分布失衡等问题，甚至需降额使用以维持安全操作区（SOA）[62]。 06结论 本文综述了商用GaN与SiC功率晶体管的现状。首先对比了两者的材料特性与结构差异，并以650 V器件为例展开分析（该电压范围内GaN、SiC与硅器件共存）。数据显示，GaN器件在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指标上表现最优；而SiC器件虽略逊于GaN，但仍显著优于硅基MOSFET。 GaN在高压领域性能更优，但其发展仍受限于技术和可靠性问题。在此电压/功率范围内，SiC凭借丰富的市场化产品成为可行替代方案。 当前，GaN器件主要应用于消费电子、数据中心电源及家用电器；GaN与SiC的共存场景包括光伏和汽车电子；而SiC将主导大功率高压领域（如智能电网、列车牵引）。 SiC器件在运行中表现出高稳定性，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（寿命与短路能力接近IGBT）。GaN虽具备更快的开关速度，但>1000 V范围的可靠性仍需优化。目前市场已有部分高可靠性GaN器件[63]。 结语 GaN与SiC功率器件将基于应用需求形成互补格局，高频与高压特性分别适配不同场景。与硅基器件的竞争将推动第三代半导体在效率、可靠性和成本三方面的持续优化，加速电力电子系统革新。 |
