未来电力革命双引擎：GaN与SiC功率器件深度解析

本文转自：IEEE TRANSACTIONS 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教授等人合作撰写。本文针对当前及下一代电力电子领域中市售的碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）晶体管进行了全面综述与展望。首先讨论了GaN与SiC器件的材料特性及结构差异。基于对市售GaN与SiC功率晶体管的分析，描述了这些技术的现状，重点阐述了各技术平台的首选功率变换拓扑及关键特性。同时回顾了GaN与SiC器件的当前及未来应用领域。文章还报告了与这两种技术相关的主要可靠性问题：针对GaN HEMTs，描述了阈值电压稳定性、动态导通电阻及击穿限制；针对SiC MOSFETs，则聚焦于栅极氧化层失效与短路（SC）鲁棒性。最后，本文展望了这些材料在不同领域的应用前景，并提出了未来可能的改进方向，强调了对混合变换器的需求以及性能优化与创新工具的结合。

01 引言

当前，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，电力电子变换器的效率提升、可再生能源的利用以及各类车辆与系统的电气化发挥着至关重要的作用[1]。具体而言，提高功率变换器的效率可减少能量损耗，从而提升现有系统（如电源、暖通空调系统等）的整体效率。这是一种无需投资新基础设施即可显著节能的经济有效方式。近年来，电气化趋势在车辆、厨房电器及环境加热系统等高功率日常设备中尤为显著，使得效率提升更为迫切[2]。这一需求在需要多级能量变换（如ac-dc、dc-dc等）的领域（如汽车或光伏系统）中尤为重要。采用基于新型材料的晶体管可大幅提升功率变换器的效率，其性能与可靠性均优于传统硅器件。

应对这一挑战的极具前景的途径是使用宽禁带（WBG）半导体。凭借其特性，这类材料可制造出在许多场景下优于现有硅基器件的电力电子器件（晶体管、二极管）。表I列出了主要WBG半导体材料的物理特性及其与硅的对比。与硅相比，WBG材料具有更高的临界电场，支持更高电压的功率变换器，同时兼具低导通电阻与高导热性。在众多WBG半导体中，碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）因性能优异、技术成熟且已实现产业化，成为高压开关器件的首选。目前，多种商用器件已面世并应用于诸多领域。此外，氧化镓、金刚石及氮化铝等材料虽具有研究价值，但其成熟度仍不足以支持短期产业化。尽管如此，这些材料在特定应用中潜力巨大，未来WBG半导体将在电力电子市场中占据更重要的地位。基于各材料的独特性，预计不同技术将共存，各自聚焦特定应用场景。

表1. 用于电力电子的半导体的材料特性

02 市售器件

历史上，WBG半导体中最早引起电力电子领域关注的是SiC。这主要归因于其与硅的强相似性，使得现有器件结构可快速移植。此外，SiC的天然氧化物SiO₂已在硅基电子领域得到深入研究，推动了SiC技术的快速发展。自电力电子领域研究启动约十年后（1990年前后），首款SiC肖特基二极管实现商用[4]。此后，技术持续改进使SiC MOSFET、JFET及二极管的耐压范围扩展至1700 V。

GaN最初应用于发光二极管（LED），至1990年左右开始涉足电力电子领域，首款GaN晶体管于1991年问世[5][6]。然而，GaN缺乏类似SiC的工业基础，技术开发耗时更长。GaN的优势通过AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）体现：其天然二维电子气（2DEG）可实现低导通电阻与高开关频率。首款商用GaN功率FET较SiC晚十年面世[7]。目前，GaN HEMTs的耐压已提升至1200 V，但主流产品仍以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足三大要求：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材料的固有特性使其可满足前两项要求，但SiC与GaN的器件结构存在显著差异。

当前市售SiC晶体管主要包括两种结构：垂直MOSFET（平面或沟槽栅）与级联垂直JFET（如图1(a)-(c)）。两者均实现常关操作。而GaN HEMT本质为常开型器件，需通过p-GaN栅极堆栈（如图1(d)）或级联配置（如图1(e)）实现常关操作。目前，这两种是市售GaN FET的主流拓扑。

图1. 商用SiC和GaN功率晶体管中使用的不同半导体结构。( a ) SiC垂直平面栅耗尽型MOSFET。( b ) SiC垂直双沟槽MOSFET。( c ) SiC垂直共源共栅JFET。( d ) GaN p - GaN栅HEMT。( e ) GaN共源共栅HEMT。

2 典型电压应用范围

目前，SiC器件覆盖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能。GaN的电压范围从15 V至1200 V，但高压领域（>650 V）市场份额有限，仅个别厂商提供900 V与1200 V产品。高于900 V时，SiC仍是首选。GaN厂商还提供集成栅极驱动的单芯片解决方案，以降低电感、提升开关速度并优化热保护。

3 600/650 V范围内的SiC与GaN功率管

为深入对比市售产品，表II列出了650 V范围内SiC、GaN及硅器件的关键参数。其中，GaN e-mode HEMTs的RON×QG（FOM）较SiC与硅器件提升至少四倍（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额定SiC、GaN和Si器件的比较的雷达图。

表2. 在600 / 650 V电压范围内，来自不同厂商的商用SiC和GaN功率管。

高压领域（900-1200 V）的对比（如图3）表明，GaN仍具动态性能优势，但其高压器件的可靠性与性能仍需优化。成本方面，650 V硅器件最廉价，GaN与SiC器件价格分别高30%与50%，但整体对BOM影响有限。模块化设计可进一步降低寄生参数，提升功率密度。

图3 .表II中报告的650、900和1200 V级SiC、GaN和Si器件的雷达对比图。

03 应用场景

与硅基器件相比，SiC与GaN功率晶体管具有更小的尺寸（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而减少，从而提升功率变换器的整体效率，并减少散热系统需求。从动态性能看，更低的输入电容与栅极电荷简化了驱动设计，支持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的功率与频率适用范围（如图4所示）。

通过采用SiC与GaN器件实现的高效dc-ac与dc-dc变换器，可显著减小电子元件的重量与体积，这对电动汽车（EV）等电池供电应用至关重要，同时提升功率密度[10]。

图4 .不同功率器件的频率和功率。

1 现有应用

尽管SiC与GaN基晶体管在多方面具有优势，但其应用尚未覆盖所有潜在受益领域。目前，这两种器件在以下两个主要领域表现突出：

•SiC器件：广泛用于混合动力与电动汽车的牵引逆变器（特斯拉自2017年起采用SiC晶体管[15]），并少量应用于超跑与赛车的车载充电器（OBC）和牵引逆变器。SiC晶体管当前主要面向汽车市场。

•GaN器件：常用于智能手机与电脑的电源适配器与充电器，其高开关频率使基于GaN的ac-dc变换器体积较硅基方案缩小三倍。GaN晶体管在高端光伏逆变器中亦有少量应用，表明当前GaN功率器件更侧重于消费电子领域。

2 未来应用

随着成本持续下降与耐压能力提升，SiC与GaN将进一步渗透当前由硅器件（如MOSFET、IGBT、GTO和晶闸管）主导的领域。具体应用方向将取决于目标电压等级（如图5所示）。

低于400 V：GaN预计主导市场，涵盖家用电源电压范围（单相与三相系统），包括家电、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，具体选择取决于应用功率等级。此电压范围涵盖可再生能源逆变器、工业电机控制及汽车电气化相关应用。汽车领域对两者均具吸引力，因高效、紧凑的功率电子部件可提升车辆续航与性能（如图6所示的混合/电动汽车电气架构）。

高于1200 V：SiC将主导电力牵引、风力发电与智能电网应用。例如，铁路牵引系统电压可达kV级（常规列车最高5 kV），SiC器件可替代硅基GTO与IGBT，提升效率。此外，SiC还可应用于25 kV级高速列车系统。

图5. GaN和SiC功率器件的可能的应用领域。

图6 .混合动力/电动汽车的主要电气和电子模块。

3 电路拓扑

当前应用中，电路拓扑的选择取决于电压、功率与开关频率需求：

GaN应用示例（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：采用软开关或零电压开关（ZVS）拓扑（如谐振LLC拓扑），利用GaN的低栅极电荷、输出电容与反向恢复电荷优势提升效率。GaN器件支持无二极管H桥配置，反向导通损耗更低[16]。
• 功率密度：GaN设计可实现1.5–1.9 W/cm3，2015年谷歌LittleBox挑战赛获奖设计达8.7 W/cm3[18]。

SiC应用示例：

• 高功率模块：采用桥式或斩波拓扑（轨道交通），用于兆瓦级逆变器。光伏逆变器常用两电平六管基础拓扑或更高效的三电平T型中点钳位拓扑[19]。
• 混合设计：将SiC二极管集成至传统变换器，利用其快速反向恢复与高温耐受性优化性能[21]。

04 技术挑战

尽管SiC与GaN器件已在多个应用场景中展现优势，但其可靠性与性能仍需持续优化。以下分述两类器件的关键技术挑战：

1 GaN与SiC晶体管的阈值电压漂移

功率晶体管开发中的关键挑战之一是缓解运行过程中阈值电压(Vth)的非预期漂移（正向或负向）。以常关型器件为例，正向Vth漂移会降低过驱动电压，导致导通电阻Ron增加，甚至可能触发器件过早关断。负向Vth漂移则可能导致更严重的后果，例如误开启或无法维持关断状态，从而引发电源线路间的短路（SC），最终导致系统灾难性故障或不安全工况。

对于硅基器件，此类问题已通过成熟技术（如共源共栅配置）得到有效控制。然而，对于宽禁带材料器件，这一问题仍需解决。研究Vth漂移的典型方法包括偏置温度不稳定性（BTI）测试，即在栅极施加正偏压（PBTI）或负偏压（NBTI）并结合不同温度条件。对于未优化的增强型GaN HEMT，正偏压应力下可能通过不同机制同时引发正向和负向Vth漂移（见图7）。

通过优化栅极堆叠工艺，可平衡电子或空穴的捕获效应，从而稳定Vth。Vth漂移主要由界面及器件内部缺陷引发的载流子捕获现象导致（见图8）。因此，提升界面质量与材料纯度是缓解此类问题的关键[24-26]。

此外，关断状态下的高压偏置也可能诱发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尚未被充分研究，是未来探索的重点方向。

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（参考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对比。

SiC MOSFET因其采用成熟的SiO2栅介质而具有优势，但SiC-SiO2界面质量仍逊于Si-SiO2，导致更多缺陷与捕获现象。在PBTI应力下，4H-SiC MOSFET通常表现出正向Vth漂移（幅度远低于GaN器件），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陷阱。部分研究[29-31]还观察到漂移动态分两阶段（见图9）：

初始正向漂移：遵循对数时间依赖性，与界面捕获相关；

后续负向漂移：由氧化物内碰撞电离产生的空穴引发，表现为指数时间依赖性。

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。

2 GaN器件的动态导通电阻增加

共源共栅和增强型GaN HEMT面临的关键挑战之一是在关断或