氮化鎵GaN還是碳化硅SiC？

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2022-03-17 09:00:07 17

氮化鎵晶體管和碳化硅 MOSFET是近兩三年來(lái)新興的功率半導(dǎo)體，相比于傳統(tǒng)的硅材料功率半導(dǎo)體，他們都具有許多非常優(yōu)異的特性：耐壓高，導(dǎo)通電阻小，寄生參數(shù)小等。他們也有各自與眾不同的特性：氮化鎵晶體管的極小寄生參數(shù)，極快開關(guān)速度使其特別適合高頻應(yīng)用。碳化硅MOSFET的易驅(qū)動(dòng)，高可靠等特性使其適合于高性能開關(guān)電源中。

本文基于英飛凌的氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET產(chǎn)品，對(duì)他們的結(jié)構(gòu)、特性、兩者的應(yīng)用差異等方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
作為第三代功率半導(dǎo)體的絕代雙驕，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET日益引起工業(yè)界，特別是電氣工程師的重視。之所以電氣工程師如此重視這兩種功率半導(dǎo)體，是因?yàn)槠洳牧吓c傳統(tǒng)的硅材料相比有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示。氮化鎵和碳化硅材料更大的禁帶寬度，更高的臨界場(chǎng)強(qiáng)使得基于這兩種材料制作的功率半導(dǎo)體具有高耐壓，低導(dǎo)通電阻，寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性。當(dāng)應(yīng)用于開關(guān)電源領(lǐng)域中，具有損耗小，工作頻率高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提升開關(guān)電源的效率，功率密度和可靠性等性能。
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圖1：硅、碳化硅，氮化鎵三種材料關(guān)鍵特性對(duì)比
由于具有以上優(yōu)異的特性，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET正越來(lái)越多的被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，且將被更大規(guī)模的應(yīng)用。圖2是IHS Markit給出的這兩種功率半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域及其銷售額預(yù)測(cè)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET的銷售額也將隨之大幅度增長(zhǎng)。圖3是IHS Markit提供的這兩種功率半導(dǎo)體銷售量預(yù)測(cè)。
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圖2：氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET應(yīng)用領(lǐng)域及銷售額預(yù)測(cè)
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圖3：氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET銷售額預(yù)測(cè)
在本文的第2章，將對(duì)氮化鎵晶體管的結(jié)構(gòu)和特性，進(jìn)行詳細(xì)的介紹。第3章將對(duì)碳化硅MOSFET的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行詳細(xì)的介紹。在第4章中，將對(duì)采用這兩種功率半導(dǎo)體應(yīng)用于同一電路中進(jìn)行對(duì)比分析，從而更清晰的說(shuō)明兩者應(yīng)用中的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，最后將對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。
氮化鎵晶體管結(jié)構(gòu)及其特性

氮化鎵晶體管的結(jié)構(gòu)

與硅材料的功率半導(dǎo)體不同，氮化鎵晶體管通過(guò)兩種不同禁帶寬度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的壓電效應(yīng)形成的二維電子氣（2DEG）來(lái)導(dǎo)電，如圖4所示。由于二維電子氣只有高濃度電子導(dǎo)電，因此不存在硅MOSFET的少數(shù)載流子復(fù)合（即體二極管反向恢復(fù)）的問(wèn)題。
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圖4：氮化鎵導(dǎo)電原理示意圖
圖4所示的基本氮化鎵晶體管的結(jié)構(gòu)是一種耗盡模式(depletion-mode)的高電子移動(dòng)率晶體管(HEMT)，這意味著在門極和源極之間不加任何電壓(VGS=0V)情況下氮化鎵晶體管的漏極和元件之間是導(dǎo)通的，即是常開器件。這與傳統(tǒng)的常閉型MOSFET或者IGBT功率開關(guān)都完全不同，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用特別是開關(guān)電源領(lǐng)域是非常難以使用的。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，業(yè)界通常有兩種解決方案，一是采用級(jí)聯(lián)(cascode)結(jié)構(gòu)，二是采用在門極增加P型氮化鎵從而形成增強(qiáng)型（常閉）晶體管。兩者結(jié)構(gòu)如圖5所示。
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圖5：兩種結(jié)構(gòu)的氮化鎵晶體管
級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個(gè)低壓的硅MOSFET級(jí)聯(lián)在一起，該結(jié)構(gòu)的好處是其驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)硅MOSFET的驅(qū)動(dòng)完全相同（因?yàn)轵?qū)動(dòng)的就是一個(gè)硅MOSFET），但是該結(jié)構(gòu)也有很大的缺點(diǎn)，首先硅MOSFET有體二極管，在氮化鎵反向?qū)娏鲿r(shí)又存在體二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題。其次硅MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在硅MOSFET開通和關(guān)斷過(guò)程中漏極對(duì)源極出現(xiàn)的振蕩就是氮化鎵源極對(duì)門極的振蕩，由于此振蕩時(shí)不可避免的，那么就存在氮化鎵晶體管被誤開通和關(guān)斷的可能。最后由于是兩個(gè)功率器件級(jí)聯(lián)在一起，限制了整個(gè)氮化鎵器件的導(dǎo)通電阻的進(jìn)一步減小的可能性。
由于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)存在以上問(wèn)題，在功率半導(dǎo)體界氮化鎵晶體管的主流技術(shù)是增強(qiáng)型氮化鎵晶體管。以英飛凌科技有限公司的氮化鎵晶體管CoolGaN為例，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。
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圖6：CoolGaN結(jié)構(gòu)示意圖
如圖6所示，目前業(yè)界的氮化鎵晶體管產(chǎn)品是平面結(jié)構(gòu)，即源極，門極和漏極在同一平面內(nèi)，這與與超級(jí)結(jié)技術(shù)(Super Junction)為代表的硅MOSFET的垂直結(jié)構(gòu)不同。門極下面的P-GaN結(jié)構(gòu)形成了前面所述的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管。漏極旁邊的另一個(gè)p-GaN結(jié)構(gòu)是為了解決氮化鎵晶體管中常出現(xiàn)的電流坍陷(Current collapse)問(wèn)題。英飛凌科技有限公司的CoolGaN產(chǎn)品的基材（Substrate）采用硅材料，這樣可以大大降低氮化鎵晶體管的材料成本。由于硅材料和氮化鎵材料的熱膨脹系數(shù)差異很大，因此在基材和GaN之間增加了許多過(guò)渡層(Transition layers)，從而保證氮化鎵晶體管在高低溫循環(huán)，高低溫沖擊等惡劣工況下不會(huì)出現(xiàn)晶圓分層等失效問(wèn)題。

氮化鎵晶體管的特性

基于圖6所示的結(jié)構(gòu)，CoolGaN具有表1所示特性及其帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。
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表1：CoolGaN的特性及其帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)
從表1所示特性可知，氮化鎵晶體管沒(méi)有體二極管但仍舊可以反向通流，因此非常適合用于需要功率開關(guān)反向通流且會(huì)被硬關(guān)斷(hard-commutation)的電路，如電流連續(xù)模式(CCM)的圖騰柱無(wú)橋PFC中，可以獲得極高的可靠性和效率。電路拓?fù)涫疽鈭D如圖7所示。圖中Q1和Q2為氮化鎵晶體管，Q3和Q4為硅MOSFET。
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圖7：采用氮化鎵晶體管的圖騰柱PFC拓?fù)涫疽鈭D
從表1還可獲知氮化鎵的開關(guān)速度極快，驅(qū)動(dòng)損耗小，因此非常適合于高頻應(yīng)用。采用氮化鎵晶體管的高頻開關(guān)電源具有功率密度高，效率高的優(yōu)點(diǎn)。圖8展示了一款3.6KW LLC拓?fù)銬C-DC轉(zhuǎn)換器，LLC的諧振頻率為350KHz，該轉(zhuǎn)化器功率密度達(dá)到160W/in^3且最高效率超過(guò)98%。
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圖8：采用CoolGaN的3.6KW LLC轉(zhuǎn)換電路
由以上分析可知，氮化鎵晶體管適合于高效率，高頻率，高功率密度要求的應(yīng)用場(chǎng)合。
碳化硅 MOSFET結(jié)構(gòu)及其特性

碳化硅MOSFET的結(jié)構(gòu)

常見的平面型(Planar)碳化硅MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖9所示。為了減小通道電阻，這種結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)為很薄的門極氧化層，由此帶來(lái)在較高的門極輸入電壓下門極氧化層的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題碳化硅MOSFET 產(chǎn)品CoolSiC采用了不同的門極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為溝槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其門極結(jié)構(gòu)如圖10所示。采用此結(jié)構(gòu)后，碳化硅MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強(qiáng)相關(guān)，那么可以在保證門極高靠可行性同時(shí)導(dǎo)通電阻仍舊可以做到極低。
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圖9：平面型碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖
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圖10：CoolSiC溝槽型門極結(jié)構(gòu)

碳化硅MOSFET的特性

與氮化鎵晶體管類似，碳化硅MOSFET同樣具有導(dǎo)通電阻小，寄生參數(shù)小等特點(diǎn)，另外其體二極管特性也比硅MOSFET大為提升。圖11是英飛凌碳化硅650V 耐壓MOSFET CoolSiC與目前業(yè)界體二極管性能最好的硅材料功率MOSFET CoolMOS CFD7的兩項(xiàng)主要指標(biāo)RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對(duì)比，前一項(xiàng)是衡量體二極管反向恢復(fù)特性的指標(biāo)，后一項(xiàng)是衡量MOSFET輸出電容上存儲(chǔ)的電荷量的指標(biāo)。這兩項(xiàng)數(shù)值越小，表明反向恢復(fù)特性越好，存儲(chǔ)的電荷越低（軟開關(guān)拓?fù)渲校霕蚪Y(jié)構(gòu)上下功率管所需要的死區(qū)越短）。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近導(dǎo)通電阻的硅MOSFET，反向恢復(fù)電荷只有1/6左右，輸出電容上的電荷只有1/5左右。因此碳化硅MOSFET特別適合于體二極管會(huì)被硬關(guān)斷的拓?fù)洌ɡ珉娏鬟B續(xù)模式圖騰柱無(wú)橋PFC）及軟開關(guān)拓?fù)洌↙LC，移相全橋等）。
碳化硅MOSFET還有一項(xiàng)出眾的特性：短路能力。相比硅MOSFET短路時(shí)間大大提升，這對(duì)于變頻器等馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用非常重要，圖12給出了CoolSiC、CoolMOS短路能力的對(duì)比圖。從圖可知CoolSiC實(shí)現(xiàn)了短路時(shí)間長(zhǎng)，短路電流小等優(yōu)異特性，短路狀態(tài)下的可靠性大大提高。
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圖11：碳化硅MOSFET和硅MOSFET的性能對(duì)比
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圖12：碳化硅MOSFET短路能力比較
第3章對(duì)氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET各自的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了介紹，下面將對(duì)兩者在參數(shù)上和實(shí)際電路上進(jìn)行對(duì)比。
氮化鎵和碳化硅 MOSFET對(duì)比

電氣參數(shù)對(duì)比

表2是氮化鎵晶體管CoolGaN和碳化硅MOSFET CoolSiC，對(duì)兩種功率半導(dǎo)體的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。
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表2：CoolGaN和碳化硅MOSFET CoolSiC關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比
從表2可知，氮化鎵晶體管在動(dòng)態(tài)參數(shù)上都低于碳化硅MOSFET，因此氮化鎵晶體管的開關(guān)損耗低于碳化硅MOSFET，在高工作頻率下的優(yōu)勢(shì)會(huì)更明顯。電流反向流動(dòng)時(shí)（源極到漏極）氮化鎵晶體管的壓降與其門極到源極的驅(qū)動(dòng)電壓相關(guān)，需要根據(jù)應(yīng)用情況對(duì)比孰高孰低。對(duì)于最后一項(xiàng)門限電壓Vgs(th), 氮化鎵晶體管的數(shù)值非常小，意味著對(duì)于氮化鎵晶體管的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要非常注意，如果門極上的噪聲較大，有可能引起氮化鎵晶體管的誤開通。同時(shí)CoolGaN為電流型驅(qū)動(dòng)模式，與傳統(tǒng)的電壓型驅(qū)動(dòng)有所不同。而碳化硅MOSFET的門限電壓高很多，其驅(qū)動(dòng)要求與IGBT驅(qū)動(dòng)非常接近。
圖13給出了另外一個(gè)重要的參數(shù)的對(duì)比，即導(dǎo)通電阻RDS(on)隨溫度變化率。眾所周知功率半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通電阻都是正溫度系數(shù)，即結(jié)溫越高則導(dǎo)通電阻越大。從圖13可知碳化硅MOSFET的溫升系數(shù)遠(yuǎn)小于氮化硅晶體管以及硅MOSFET，在結(jié)溫100°C時(shí)相差已經(jīng)達(dá)到30%和50%。根據(jù)圖13可知，假設(shè)在25°C結(jié)溫時(shí)碳化硅MOSFET和氮化鎵晶體管的導(dǎo)通電阻相同，在同一個(gè)應(yīng)用電路中意味著兩者的導(dǎo)通損耗(〖I_Drms〗^2*R_(DS(on)))相同，但是當(dāng)兩者的結(jié)溫升高到100°C時(shí)，碳化硅MOSFET的導(dǎo)通損耗只有氮化硅晶體管的70%，這對(duì)于那些環(huán)境要求苛刻，高溫下也需要保持高效率的應(yīng)用場(chǎng)景非常具有吸引力。
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圖13：碳化硅MOSFET，氮化鎵晶體管和硅MOSFET導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫變化曲線

應(yīng)用對(duì)比

首先在圖7所示的電流連續(xù)模式(CCM)的圖騰柱(totem-pole)無(wú)橋PFC電路上對(duì)氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試條件如表3所示。
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表3：PFC電路測(cè)試條件
測(cè)試中每種功率開關(guān)都測(cè)試了兩種導(dǎo)通電阻的器件，對(duì)于氮化鎵晶體管，RDS(on)分別為35mohm和45mohm，碳化硅 MOSFET則分別是65mohm和80mohm。測(cè)試結(jié)果如圖14所示。在輕載情況下由于功率開關(guān)的開關(guān)損耗高于導(dǎo)通損耗，因此氮化鎵晶體管的效率明顯高于碳化硅晶體管。當(dāng)負(fù)載逐漸加重時(shí)，導(dǎo)通損耗在總損耗中的占比高于開關(guān)損耗。同時(shí)由于負(fù)載加大，功率開關(guān)的溫升升高，而根據(jù)圖13導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫的變化率可知碳化硅晶體管的導(dǎo)通電阻隨溫度上身而增加較小，因此在高溫下兩種功率開關(guān)的效率差異已經(jīng)非常小，雖然碳化硅晶體管的25°C下的導(dǎo)通電阻是高于氮化鎵晶體管的。
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圖14：碳化硅MOSFET，氮化鎵晶體管在PFC級(jí)效率曲線
接下來(lái)對(duì)用于3KW輸出功率，采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)半橋LLC的電路拓?fù)渲械牡壘w管和碳化硅MOSFET在不同工作頻率下的計(jì)算得到的效率進(jìn)行比較，計(jì)算中忽略掉了頻率上升導(dǎo)致磁性元件（包括諧振電感，主功率電感）損耗上升的影響。電路拓?fù)淙鐖D15所示。氮化鎵晶體管選用的型號(hào)為IGOT60R070D1(25°C下的最大RDS(on)為70mohm)，共8顆。碳化硅MOSFET選用的型號(hào)為IMZA65R048M1H(25°C下的最大RDS(on)為64mohm)，共8顆。
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圖15：兩相交錯(cuò)并聯(lián)LLC電路示意圖
在50%負(fù)載（1500W），常溫工作環(huán)境下，不同工作頻率下的效率對(duì)比如圖16所示。在工作頻率較低（<100khz）時(shí)，采用導(dǎo)通電阻相近的氮化鎵晶體管和碳化硅mosfet效率相近，且都可以達(dá)到非常高(>99.2%)的效率，當(dāng)工作頻率提升到300KHz后，氮化鎵由于其非常小的寄生參數(shù)，開關(guān)損耗占總損耗的比例較低，因此其效率的降低很小（0.08%），而碳化硅MOSFET的效率會(huì)下降0.58%（99.28%-98.7%）。當(dāng)工作頻率上升到500KHz后，兩者效率差距就很大了（1%）。當(dāng)然如果對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電路，考慮到頻率上升會(huì)引起磁性元件損耗的急劇上升，兩者的效率差異就不會(huì)這么大，但是效率變化的趨勢(shì)是一樣的。
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圖16：兩種功率器件在不同工作頻率下效率對(duì)比
氮化鎵和碳化硅 MOSFET應(yīng)用建議

根據(jù)第3章和第4章的論述，基于英飛凌科技有限公司的氮化鎵晶體管和碳化硅 MOSFET產(chǎn)品，對(duì)于這兩種寬禁帶功率半導(dǎo)體的應(yīng)用建議如下：
（1）所應(yīng)用系統(tǒng)由于某些原因必須工作于超過(guò)200KHz以上的頻率，*氮化鎵晶體管，次選碳化硅MOSFET；若工作頻率低于200KHz，兩者皆可使用；
（2）所應(yīng)用系統(tǒng)要求輕載至半載效率極高，*氮化鎵晶體管，次選碳化硅 MOSFET；
（3）所應(yīng)用系統(tǒng)工作最高環(huán)境溫度高，或散熱困難，或滿載要求效率極高，*碳化硅 MOSFET，次選氮化鎵晶體管；
（4）所應(yīng)用系統(tǒng)噪聲干擾較大，特別是門極驅(qū)動(dòng)干擾較大，*碳化硅 MOSFET，次選氮化鎵晶體管；
（5）所應(yīng)用系統(tǒng)需要功率開關(guān)由較大的短路能力，*碳化硅 MOSFET；
（6）對(duì)于其他無(wú)特殊要求的應(yīng)用系統(tǒng)，此時(shí)根據(jù)散熱方式，功率密度，設(shè)計(jì)者對(duì)兩者的熟悉程度等因素來(lái)確定選擇哪種產(chǎn)品。
總結(jié)

本文對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的寬禁帶功率半導(dǎo)體即氮化鎵晶體管和碳化硅 MOSFET的結(jié)構(gòu)、特性、兩者的性能差異和應(yīng)用建議進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。由于寬禁帶功率半導(dǎo)體有著許多硅材料半導(dǎo)體無(wú)法比擬的性能優(yōu)勢(shì)，因此工業(yè)界越來(lái)越多地趨向使用它們。

而隨著業(yè)界對(duì)兩者的熟悉程度和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越高，兩者的使用量會(huì)急劇上升，從而帶動(dòng)兩者價(jià)格的下降，這又會(huì)反過(guò)來(lái)推動(dòng)寬禁帶功率半導(dǎo)體被更大規(guī)模的使用，形成良性循環(huán)。因此盡早掌握和使用寬禁帶功率半導(dǎo)體對(duì)于電氣工程師提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，提高產(chǎn)品知名度以及自身的能力都具有非常重要的意義。相信本文對(duì)于電氣工程師熟悉和使用寬禁帶功率半導(dǎo)體具有非常大的參考和借鑒意義。

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