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编者按
在本文中，咱们对商场上可用于刻下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预测。最初接头了 GaN 和 SiC 器件之间的材料特质和结构各异。基于对不同商用 GaN 和 SiC 功率晶体管的分析，咱们描写了这些技能的最新进展，重心先容了优先功率诊治拓扑和每个技能平台的关键特质。
文中，咱们还回归了 GaN 和 SiC 器件确刻下和畴昔应用领域。本文还论说了与这两种技能关联的主要可靠性方面。对于 GaN HEMT，描写了阈值电压踏实性、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。
终末，咱们详尽了此类材料在不同领域中的长进。并指出了这两种技能畴昔可能的改进和发展。强调了搀和诊治器（hybrid converters）的要求以及性能的用心优化和鼎新优化器具的使用。
此外，咱们需要讲明一下，该文写于2024年四月，因此里面对于一些刻下的进展可能略微有点不同，但不影响对扫数这个词产业的评价。
简介
如今，减少对化石燃料的依赖是缓解惬心变化的关键标的。在此配景下，电力诊治器（electric power converters）的末端、可再生能源的使用以及各式车辆和系统的电气化施展着至关紧要的作用。
具体而言，擢升电力诊治器的末端是一种省俭能源的方法，不然这些能源将会流失，从而擢升依然庸俗招揽的系统（如电源、暖通空调系统等）的举座末端。这是一种相配经济灵验的容貌，无需投资新的基础设施即可量入为用大批能源。
在昔时的几年里，东谈主们依然不雅察到电气化的广泛趋势，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，这使得这种末端改进变得愈加紧迫。在扫数存在多个诊治方法（从交流到直流、从直流到直流等）的领域，举例汽车或光伏系统，这少量尤为紧要。使用基于新材料的晶体管不错大幅擢升电源诊治器的末端，与更传统的硅器件比拟，这些基于新兴材料的晶体管具有更好的性能和可靠性。
应酬这一挑战的一个相配有但愿的方法是使用宽带隙 (WBG) 半导体。由于这些材料的特质，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咫尺可用的 Si 基器件。表 I 论说了最关联的 WBG 半导体的物理特质以及与硅的比较。
与硅比拟，WBG 材料提供了更高的临界电场，从而不错竣事在更高电压下使命的功率诊治器，同期提供低导通电阻和高热导率。在感艳羡的 WBG 半导体中，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 为竣事用于电源诊治器（直流交流逆变器和直流直流诊治器）的高压开关提供了出色的性能，最紧要的是，它们具有最高的老练度和工业化水平：因此，咫尺已有多种商用建设可用，况兼已被用于很多应用。
除了 SiC 和 GaN 之外，从辩论角度来看，其他 WB 半导体（举例氧化镓、金刚石和氮化铝）也引起了东谈主们的极大艳羡，但它们咫尺的老练度水平仍然辞让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紧要艳羡，况兼依然展示了可用的建设。畴昔，WB 半导体将在电力电子商场中占有更大的份额。由于各个材料的特质，咱们应该期待不同技能的共存，每种技能齐侧重于特定的应用。
从这个角度来看，本文描写了咫尺着手进的商用SiC和GaN功率晶体管确刻下特质。在第二部分中，咱们从分立器件的角度描写了刻下的商场景色，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，咱们描写了此类半导体器件确刻下和畴昔应用；在第四部分中，咱们接头了SiC和GaN进一步发展中面对的挑战，以及可猜想的应用领域；终末，在第五部分中，咱们先容了对于这两种材料的不雅点。
商用建设
从历史上看，第一个引起电力电子领域艳羡的 WBG 半导体是 SiC。这主若是因为它与硅具有很强的亲和力，这使得不错浪漫复制依然固化的器件结构。此外，SiC 具有SiO2当作自然氧化物，其特质和加工技能依然从对硅基电子器件进行的深远而庸俗的辩论中得到了深远辩论。因此，不错快速启动 SiC 技能的征战。在电力电子领域着手辩论这种材料十年后，即 1990 年傍边，第一个 SiC 肖特基二极管得以买卖化。从那时起，技能的赓续改进使 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 年傍边着手引起电力电子领域的存眷，那时的 SiC 晶体管初度演示可牵记到 1991 年。但是，与 SiC 的情况不同，GaN 并莫得工业常识，因此需要更长的时候来获取和踏实该技能。AlGaN/GaN 高电子迁徙率晶体管 (HEMT) 充分期骗了 GaN 的上风：由于存在原生 2-D Electron Gas (2DEG)，这种器件不错竣事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 等东谈主引入商场，比第一个商用 SiC 器件晚了十年。如今，收货于辩论和工业层面的赓续费力，商场上不错找到额定电压高达1200V的 GaN HEMT，尽管大多数可用居品的额定电压为650V或以下。据作家所知，咫尺还莫得商场上销售的分立式 GaN 功率二极管。
A
买卖 SiC 和 GaN 功率晶体管
要竣事买卖化，功率晶体管必须满足三个主要要求：1) 不祥保管有余高的电压和功率；2) 具有低开关和传导损耗；3) 竣事常关操作。所分析的 WBG 半导体的固有特质使其允洽制造与前两个敛迹兼容的器件，即使用于竣事这一标的的结构在 SiC 和 GaN 之间存在显贵各异。
对于基于 SiC 的晶体管，如今，商场提供了两种不同的处理有贪图：垂直 MOSFET（具有平面或沟槽栅极）和共源共栅垂直 JFET。这两种结构齐满足常关操作的要求，分手如图 1(a)-(c) 所示。
违反，GaN 允许竣事 HEMT，正如依然接头过的。但是，AlGaN/GaN HEMT 是一种常开器件，不适用于故障安全电源应用。为了竣事常关操作，咫尺庸俗招揽两种灵验技能：1) 使用 p-GaN 栅极堆栈，如图 1(d) 所示；2) 使用共源共栅设立 ，如图 1(e) 所示。咫尺，在文件中提议的很多其他拓扑中，这是商场上仅有的两种 e-mode GaN FET 拓扑。这些 GaN 和 SiC 拓扑的主要优点和纰谬将在背面接头。
B
典型应用电压范围
咫尺，SiC 招揽高压功率晶体管，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（归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。
违反，GaN 遮蔽了从 15V 到 1200 V 的宽电压范围。但是，就高电源电压而言，基于 GaN 的器件的传播实在统统局限于 650 V 范围，因为商场上仅提供一家供应商的 900 V 处理有贪图和一家供应商的 1200 V 级处理有贪图：在900V以上，基于 SiC 的晶体管仍然是功率诊治电路假想的首选。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，这少量至关紧要：
1）为了减少栅极环路电感（以最大限制地减少导通时间的栅极应力）；2）为了减轻共源电感（以竣事更高的压摆率）；3）允许假想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救济市售处理有贪图之间的各异，咱们决定比较 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居品，以进行更全面的分析。表 II 论说了从比较建设的数据表中索要的主要参数，这些建设来自不同的制造商（非详备列表）。选拔基于流畅漏极最大电流智力（30A到50A之间）和典型导通电阻值（约50mΩ），以便进行公道比较。
对于 650 V 范围，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 末端的庸俗传播的标的，因为它研讨了传导和开关损耗。
从假想角度来看，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（尽管它不是独一不错依赖的基础）。其中，GaN e-mode HEMT 夸耀出较低的RON × QG 值，与基于其他半导体技能的竞争敌手比拟至少擢升了四倍（从 SiC 和 Si 器件的 RON × QG > 1500 m ·nC 到 RON × QG > 300 m · nC）。
如果研讨共源共栅 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）。
违反，硅功率 MOSFET 具有更高的输入电容（突出数千 pF）。
此外，必须闲隙的是，GaN e-mode HEMT 的反向复原电荷为零（由于莫得经典的 MOSFET 体二极管），SiC 和 GaN 共源共栅 HEMT 的反向复原电荷为 100 nC 量级，而 Si MOSFET 的反向复原电荷则在数千 nC 范围内。高反向复原电荷会导致诊治器末端下落，并可能导致使命时间电压和/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，其他紧要参数包括开启蔓延时候 (td-on)、上升时候 (tr)、关闭蔓延时候 (td-off) 和下落时候 (tf)。它们描写了晶体管快速开启和关闭的智力。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显明，尽管图 2(b) 中论说的雷达图夸耀，GaN e-mode HEMT 平均施展出更好的性能。另一方面，由于存在硅 MOSFET，GaN 共源共栅 HEMT 的开启/关闭智力较慢，与 GaN e-mode 器件比拟，而与 SiC 和 Si 功率晶体管比拟，其性能至极。如果以开启/关闭时候为参考标的，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畴昔具有紧要艳羡，因此，对额定为此类使命花样的器件进行简要比较是值得的。由于咫尺 GaN 的电压最高可达 1200 V，咱们比较了 900V 和 1200 V 范围内的 GaN 和 SiC（650 V 以外），并使用图 2 顶用于 650 V 商场细分比较的疏通雷达图。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能齐包含一个器件。表 II 中的 900 V 硅 MOSFET 无论怎么齐被排斥在外，因为它的性能与扫数其他居品齐无法比拟。
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亦然如斯，阐述了之前对 650 V 范围的述说。尽管如斯，必须强调的是，咫尺高压 GaN 晶体管的性能和可靠性仍在优化中。此外，值得领导的是，在 900V-1200 V 电压范围内，商场上唯有两种基于 GaN 的处理有贪图，而 SiC MOSFET 可浪漫竣事 1700 V 操作，很多不同的盛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，限制 2023 年 8 月，基于 Si 的器件最低廉。GaN 分立晶体管的价钱将高潮 30%，SiC 分立晶体管的价钱将高潮 50%，但仍低于 18 好意思元。对于更高电压的建设，资本愈加统一，Si 建设的价钱与 SiC 和 GaN 的价钱握平，而 SiC 和 GaN 的价钱高潮了 20%（相对于 650 V 范围）。这标明，在这两种技能之间进行选拔对诊治器的物料清单 (BOM) 的影响有限。
但是，如果咱们研讨到某些建设允许诊治器以更高的频率运行，从而需要更少的繁重和不菲的无源元件，那么总体资本的推理就会发生变化。一般来说，上头论说的雷达图有助于救济为什么在高压和高功素养域，电力电子正在转向 SiC 或 GaN 等 WBG 半导体。
除了单个晶体管外，包括多个建设的模块也已买卖化。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间的性能，并改善热不竭，最终竣事更高功率密度下的高压和高电流操作。这些模块不错包含各式可能设立的晶体管（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浪漫竣事不同的电源诊治器拓扑。
应用
与基于 Si 的器件比拟，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，因此不祥承受更高的温度。由于 RON 更低，传导损耗也贬抑了，从而有助于擢升电源诊治器可竣事的举座末端，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 还推广了 Si MOSFET、IGBT 和超结 Si MOSFET 的使命功率区域（和频率）在线av hsex，如图 4 所示。
通过招揽 SiC 和 GaN 器件可竣事的末端和袖珍化水平成心于征战高效的直流-交流和直流-直流诊治器，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配紧要，并不错擢升功率密度。
A
刻下应用
尽管 SiC 和 GaN 基晶体管从很多角度来看齐具有多种上风，但它们并未在扫数可从其特质中受益的领域得到庸俗招揽。咫尺，此类建设在两个不同领域施展着紧要作用。SiC 基建设庸俗应用于搀和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 晶体管咫尺主要针对汽车商场。
另一方面，GaN 频繁用于竣事智妙手机和 PC 的电源和充电器，因为与传统的 Si 基交流-直流诊治器比拟，更高的可竣事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，这标明咫尺GaN功率器件更面向消耗电子居品。
B
畴昔应用
由于资本赓续贬抑和最大使命电压赓续擢升，畴昔更多领域将受益于 SiC 和 GaN 的特殊性能。
特地是，基于上述两种 WBG 材料的晶体管有望进一步干与咫尺由硅器件主导的领域，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领域诚然取决于标的电压水平，如图 5 所示。
1) 400 V 以下，GaN 有望占据商场主导地位。此范围对应于单相和三相系统的最民众用电源电压，波及扫数家用电器、消耗电子居品（智妙手机、个东谈主电脑过头充电器）和数据中心的电力电子建设。
2) 在 400 至 1200 V 之间，SiC 和 GaN 有望配合和共存，具体取决于每个应用中处理的功率水平。在此电压范围内，不错找到用于可再生资源的逆变器、工业电机贬抑器和汽车领域的多种应用。由于对汽车电气化的艳羡和需求日益增多，后者对这两种半导体齐具有极大艳羡。在搀和能源和/或电动汽车里面，不同的电器期骗功率诊治器，因此期骗功率晶体管（见图 6）。竣事电力电子元件的高末端、小尺寸和低分量对于延长车辆行驶里程、擢升舒限度和车辆性能至关紧要。
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施展根人性作用。咫尺，电力列车牵引对 SiC 来说极具眩惑力，因为感艳羡的电压在 kV 范围内（平常列车最高 5 kV），其中 SiC 实在不错替代硅器件（主若是 GTO 和 IGBT），并带来更高的性能和末端。除此之外，SiC 还将在运行电压更高的系统中施展作用，举例高速列车，其电压可能需要高达 25 kV。
C
电路拓扑
对于刻下的应用，不错凭证电压、功率和开关频率要求招揽不同的电路拓扑。
对于 GaN，咱们着手研讨 USB-C 适配器的情况，它是 GaN-on-Si 居品商场上最快的招揽者。功率水平不错从 33 到 250 W。如果咱们研讨负载低于 70 W 的应用，其中不需邀功率因数蜕变 (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 器件不错达到相配高的频率，但在这些情况下，它们被限制在 300 kHz 以幸免电磁侵略 (EMI) 问题。对于更高功率的应用，由于需要 PFC Boost 级当作前端，因此招揽多级拓扑。以下各级的拓扑与上头描写的疏通，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 的开关用于崇敬直流-直流诊治的终末级。
终末，在这种情况下，基于 GaN 的假想不错竣事更大的功率密度，约为 1.5-1.9 W/cm³，2015 年 Google LittleBox 挑战赛的末端为 8.7 W/cm³。但是，在假想钳位电路时必须步步为营，最好是有源的，并研讨电压应力，以提供相宜的余量，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，研讨谐振 LLC 拓扑。在半桥设立中，使用 GaN 器件不错竣事更高的频率和末端。如第掐面所述，GaN 器件的栅极电荷、输出电容和反向复原时候和电荷减少，从而分手贬抑了驱动损耗、开关损耗和反向复原损耗。
此外，GaN 器件使无二极管 H 桥设立成为可能，具有反向传导智力。这些也不错通过并联二极管的 IGBT 或使用 Si MOSFET 的里面体二极管来竣事，但 GaN 处理有贪图末端更高，因为它的 Qrr 要低得多。SiC 器件用于高功率应用，况兼依然用于竣事桥（或用于列车牵引的斩波器）拓扑的模块中。这些建设和模块频繁用于高功率处理的逆变器中。特地是在 PV 逆变器的情况下，研讨了不同的拓扑结构，从两级、六组基本拓扑结构到更先进的三级拓扑结构。末端和零件数目的最好选拔是 T 型中性点钳位拓扑结构。
SiC 晶体管也被研讨用于 MW 范围内的高功率、无变压器假想：举例，它们用于列车牵引系统，以使低频交流讲和网电压适应驱动电机所需的更高频率交流电压。这是通过相宜级联交流-直流、直流-直流和直流-交流诊治器来竣事的，举例，对直流-直流部分使用谐振 LLC 诊治拓扑，如关联有贪图中描写的 2 MW。
通过将 SiC 二极管纳入传统诊治器，也不错期骗 SiC 的上风。通落伍骗其较小的尺寸、快速的反向复原和高温耐受性，不错凯旋竣事搀和假想。
刻下的技能挑战
咱们在前边的部分中依然看到了 SiC 和 GaN 功率器件如安在越来越多的用例中得到招揽，这些用例充分期骗了它们的独有性能。但是，正如学术界和工业界所作念的那样，紧要需要握续的辩论和征战经由，不仅要擢升器件性能，还要擢升其可靠性。为此，在比较 SiC 和 GaN 器件时，需要处理的挑战频繁是不同的，因为这两种材料技能的老练度水平不同，而且频繁招揽独有的器件结构，如图 1 所示。
具体而言，应闲隙在通谈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关联走漏，从而改善限制，但它也导致了与频繁发生在 GaN HEMT 栅极堆栈中的物理经由不同的电荷拿获场景。
此外，传统 Si 基 MOSFET 的经典结构和掺杂有贪图在 GaN HEMT 中不存在，其中通谈是由于 GaN 的极化特质而酿成的：这也会影响 GaN 器件在特定应力场景中的反馈。
以下各节将简要回归擢升 GaN 和 SiC 晶体管可靠性的关键技能挑战。
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，功率晶体管征战中的一个关键挑战是缓解使命经由中发生的不良阈值电压 (Vth) 偏移（无论是正向偏移如故负向偏移）。举例，研讨一个常闭器件，正向 Vth 偏移会贬抑器件的举座性能，因为它会导致过驱动电压贬抑。这会增多导通电阻，并可能触发器件过早关闭。另一方面，负向 Vth 偏移可能会导致更糟糕的情况，即由于误导通事件或关闭状态被扼制，器件贬抑会部分丢失。在开关诊治器中，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酿成短路 (SC)，最终导致系统发生灾祸性故障或导致不安全的操作条款。
对于硅器件，这些问题早已得到贬抑，这种老练度由共源共栅设立对 Vth 偏移的稳健性讲明注解，其中 WBG 器件由传统的 Si 基器件贬抑。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，需要加以处理。辩论 Vth 偏移的典型方法或加快应力条款是偏置温度不踏实性 (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 宇宙中，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，从而导致踏实的 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颓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由至关紧要。
正如文件中所述， Vth 不踏实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 等东谈主发现的正 Vth 偏移相同。（VD = 200 V 时高达 1 V）：这种漏极引起的 Vth 偏移尚未得到庸俗辩论和充分救济，因此是畴昔辩论的绽开点。
就栅极电介质隔邻的拿获而言，SiC 基 MOSFET 具有上风，因为其原生氧化物在室温下踏实，是各人皆知的 SiO2，几十年来一直在 Si 基电子器件中使用。对 SiO2进行的庸俗辩论为 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，因此导致更多颓势、更多拿获，因此在操作经由中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末端，与应力时候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，偏移会变得至极大（1V-5V）。这种偏移频繁归因于电子隧穿到近界面氧化物陷坑。其他论说标明，调动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由的竞争。
1) 运转正移，具有对数时候依赖性，频繁与界面拿获关联，并使用扼制模子进行描写。
Hongkongdoll xxx2) 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。此处不雅察到的时候依赖性是指数的。
B
GaN 器件中的动态导通电阻增多
共源共栅和 e-mode GaN HEMT 面对的最紧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复原增多。
这对于功率晶体管相配紧要，因为在关断状态操作时间，晶体管会受到相配高的漏极电压，这可能导致电子注入名义状态 和/或缓冲陷坑。这些征象导致通谈电导率举座下落，因此当器件在不同漏极偏置水平下运行时，RON会增多，由于电子拿获（在名义和/或缓冲状态下）和其他机制（如漏极应力时间产生正电荷（即由电子从缓冲区调动到通谈产生的空穴））的互相作用，可能会发生导通电阻不踏实。在半导通状态下，导通电阻的增多会进一步增强，这代表了器件在切换经由中跳跃的使命点。
扼制导通电阻增多的一种方法是使用搀和漏极 (HD：hybrid-drain)，其中 p-GaN 层镶嵌漏极讲和中，以在关断状态和半导通状态操作时间注入空穴。这不错对消电子拿获，从而保握导通电阻。
Fabris 等东谈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
在电源诊治器的开关操作经由中，可能会发生不同的击穿机制，并导致固态开关的灾祸性故障。一般来说，为了进一步的技能发展和擢升额定电压和使用寿命，必须研讨扫数击穿机制来优化GaN FET。
从栅极角度来看，研讨到导通状态操作，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 可能会受到各人皆知的时候关联电介质击穿 (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，由于正偏压线路，仍存在时候关联的退化和击穿。
在 GaN-on-Si 器件中，漏极到基板的击穿频繁存在于电压远高于额定值的情况下，频繁高于 1000 V 。但是，在高压 GaN FET 制造中，必须研讨并优化这种类型的击穿 。擢升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对持衬底代替硅衬底，正如 Gupta 等东谈主使用 1200 V GaN 开关所展示的那样。
终末要说的是，HEMT 击穿的一个热点话题与雪崩关联。GaN HEMT 相对于 Si 和 SiC MOSFET 具有低得多的撞击电离悉数；因此，它们的雪崩活动不同。尽管如斯，它们不祥承受远高于其额定值的电压，从而产天真态击穿电压活动（即击穿电压取决于关断状态脉冲握续时候）。这些器件还施展出出色的浪涌智力。但是，需要辩论这些智力，以量化晶体管对开关瞬变时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
由于征战阶段相对较早，咫尺正在辩论其他身分，举例短路和浪涌能量智力。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施展出不同的退化和/或故障机制。GaN HEMT 中的浪涌能量与过压踏实性密切关联，况兼器件不夸耀雪崩智力。对于 Si 和 SiC 晶体管，器件浪涌能量频繁与雪崩能量关联。一般而言，GaN HEMT 的假想具有有余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救济释 。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关联，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，咱们发咫尺高场、低温下有 Fowler-Nordheim 隧穿，而在低场、高温下有热提拔隧穿。在测试器件对栅极氧化物故障的稳健性时，主要的 FOM 由故障时候 (TTF：time-to-failure) 示意，然后用于策划特定操作场景下栅极电介质的预期寿命。一种庸俗招揽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，因此测试时候可能相配长。由于寿命与温度和电压成比例，因此不错通过擢升测试温度和电压，然后在器件的标的使命条款下推断数据来灵验地贬抑测试时候。
发现与纯正电流关联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候的积分，或应力电流乘以击穿时候。
在某些情况下，电荷击穿可能导致氧化物寿命揣摸过高，但这个问题也存在于基于 TDDB 的方法中，其中高场下的扫数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揣摸过高。
此外，测试时间的电子拿获不错收缩氧化物上的场，进一步加重上述高估。为幸免过度拿获而导致高估，建议将应力场保握在特定阈值以下，凭证刘等东谈主的说法，该阈值低于8.5mV/cm ，凭证Zheng等东谈主的说法，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使命区来描写，该区域示意应力场温度空间，在该空间中，器件性能保握在数据表门径范围内，研讨到击穿前的氧化物劣化。
栅极氧化物故障是一个紧要的可靠性问题。因此，紧要需要检测制造建设早期故障的方法。举例，Zheng等东谈主建议在相对较高的电压下进行电压陡坡，而 Miki 等东谈主建议使用重迭的 Vth 测量来排斥瞬态不踏实性。
当作参考，在汽车行业中，尺度氧化物寿命在 108 秒范围内。2020 年，t63%（63% 的建设发生故障的时候）在 150℃时被发现大于 106 s 。2021 年，另一项辩论发现，对于扫数测试的供应商，t63%在 150 ◦C 时均 > 108 s，讲明注解了 SiC MOSFET 技能的稳健性。
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SiC MOSFET 的短路踏实性
短路踏实性测试是评估器件在践诺场景中可能出现的恶劣条款下的耐用性的另一种方法。
也不错使用相配高的漏极电压下的硬开关事件以及各式长度的导通脉冲来测试功率器件的踏实性。从这个角度来看，要揣摸的关联参数是短路耐受时候 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使命区 (SCSOA：Short-Circuit Safe-Operating-Area)。
SiC MOSFET 旨在取代 Si IGBT，其 τSC 约为 10µs。自 2013 年以来，这一标的依然竣事 [55]，但并非系统性地竣事。为了擢升性能，在受压器件上增多源电阻被讲明注解是有益的，只消相宜调整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，但运转电流峰值保握不变。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 短路改进办法 (BaSIC：Baliga short-circuit improvement concept)，相对于单源电阻方法，擢升了器件性能。
终末，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
咫尺，SiC 和 GaN 器件齐处于高档征战阶段。两者齐找到了买卖应用，并因其相对于硅同类器件在末端、稳健性和功率密度方面的改进而受到讴颂。畴昔，计算这两种材料将陆续辩论，以处理悬而未决的问题，擢升可靠性，并进一步增强其上风。
基于前几节中论说的研讨，以为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 具有独有的各自特质，况兼每个齐不错为特定应用带来改进。举例，SiC 允许制造相配坚固的器件，从而竣事高功率开关诊治器。
另一方面，GaN HEMT 领有速率和超卓的末端，这对于擢升中低功率诊治器的功率/体积比至关紧要。
畴昔，GaN 有望达到更高的电压，甚而突出 1200 V。要竣事这一标的，就需要鼎新的半导体结构，举例垂直 GaN 晶体管和合适的经济高效的衬底。咫尺，垂直 GaN 晶体管尚未达到允洽庸俗买卖化的老练度。但是，畴昔此类器件（包括 finFET、MOSFET 和 JFET）的出现存望竣事比 SiC 器件更低的导通电阻值，同期竣事雪崩和短路踏实性。对于 SiC 而言，领有不祥竣事出色性能的简便结构，同期受益于 Si 基电子器件中累积的扫数 SiO2 常识，这是一个相配紧要的上风。这不错灵验贬抑拿获征象、Vth 踏实性和击穿性能。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赓续增多的功率。第一个例子是火车牵引，由于末端的擢升，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，用于支柱智能电网领域的鼎新电网不竭技能。
在着手进的畴昔应用中，GaN、SiC 甚而 Si 开关在归并溜换器中的共存对于以最低资本赢得最大性能至关紧要。数学优化器具在这种情况下相配灵验，正如 Burkart 和 Kolar 等东谈主引入的多标的优化方法所见。该方法使用经过用心调整的紧凑模子来优化建设的选拔，以充分期骗电力电子可用的扫数不同半导体材料的上风。
在最密集的应用中，多个建设同期以串联或并联设立使用，主张是保管更高的电压或电流。在这些情况下，建设级分析必须通过系统级假想研讨来完成。这些措施频繁包括但不限于仔细不竭热方面或缓解各个建设之间的电流/电压抵拒衡。这种抵拒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散。因此可能会出现更高的电流过冲，况兼可能需要贬抑电流智力以保握在 SOA 限制内，从而导致固态开关的使用不优化。
论断
咱们详尽了咫尺市售的 GaN 和 SiC 功率晶体管的近况。最初接头了关联的材料特质，并讲明注解了特定平台建设之间的结构各异。
最初通过比较数据表标的对两类建设进行比较，并重心存眷 650V 建设，在这个电压范围内，GaN 和 SiC 晶体管共存，Si 建设得到了很好的发展。数据夸耀，在研讨 RON × QG FOM、输入电容和反向复原电荷时，可用的 GaN 建设具有最好性能。另一方面，SiC 器件在疏通标的上的性能稍差，但相对于 Si MOSFET 技能仍有很大改进。
还比较了更高电压的建设。GaN 施展出更好的性能，但其发展仍然受到技能和可靠性问题的限制。在这个电压/功率范围内，研讨到很多不同且具有竞争力的居品的大批商场可用性，SiC 代表了一种灵验的替代有贪图。然后分析了基于 GaN 和 SiC 的功率器件确刻下应用领域，以及当代功率诊治器中招揽的主要电路拓扑。还描写了畴昔的应用。GaN 器件有望在消耗电子和数据中心的电源以及家用电器中得到庸俗传播。GaN-SiC 共存将出咫尺光伏和汽车领域，而 SiC 将主导高功率、高压智能电网和列车牵引应用。
然后详尽了刻下的可靠性和性能挑战，特地存眷 Vth 不踏实性过头关联的缓解计谋。还描写了与技能关联的方面。事实讲明注解，SiC 器件在运行经由中相配踏实，VTH 偏移低得多，况兼不会受到动态导通电阻效应的影响。它们是恶劣条款下的无缺选拔，因为它们在寿命和 SC 智力方面相配接近 IGBT 的性能。违反，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。商场上依然有统统及格的 GaN 器件，具有精采的性能和可靠性。
凭证关联着手进 GaN 和 SiC 功率器件的现存文件，畴昔性能和可靠性的改进旅途了了可见；咱们计算 GaN 和 SiC 技能将在畴昔几年共存，具体取决于每个单独应用的具体要求以及关联的任务概况。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源流。
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