GaN晶體管與SiC MOSFET有何區(qū)別（上）

氮化鎵晶體管和碳化硅 MOSFET是近兩三年來新興的功率半導(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)。

氮化鎵和碳化硅材料更大的禁帶寬度，更高的臨界場強(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。

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。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。

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）來導(dǎo)電，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)）的問題。

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。

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。

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所示特性及其帶來的優(yōu)點(diǎn)。

表1：CoolGaN的特性及其帶來的優(yōu)點(diǎn)

從表1所示特性可知，氮化鎵晶體管沒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。

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)。

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。

圖9：平面型碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖

圖10：CoolSiC溝槽型門極結(jié)構(gòu)