GaN晶体管与SiC MOSFET有何区别（上）

氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET是近两三年来新兴的功率半导体，相比于传统的硅材料功率半导体，他们都具有许多非常优异的特性：耐压高，导通电阻小，寄生参数小等。

他们也有各自与众不同的特性：氮化镓晶体管的极小寄生参数，极快开关速度使其特别适合高频应用。碳化硅MOSFET的易驱动，高可靠等特性使其适合于高性能开关电源中。

本文基于英飞凌的氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET产品，对他们的结构、特性、两者的应用差异等方面进行了详细的介绍。

作为第三代功率半导体的绝代双骄，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET日益引起工业界，特别是电气工程师的重视。之所以电气工程师如此重视这两种功率半导体，是因为其材料与传统的硅材料相比有诸多的优点。

氮化镓和碳化硅材料更大的禁带宽度，更高的临界场强使得基于这两种材料制作的功率半导体具有高耐压，低导通电阻，寄生参数小等优异特性。当应用于开关电源领域中，具有损耗小，工作频率高，可靠性高等优点，可以大大提升开关电源的效率，功率密度和可靠性等性能。

由于具有以上优异的特性，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET正越来越多的被应用于工业领域，且将被更大规模的应用。随着应用领域的扩大，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET的销售额也将随之大幅度增长。

在本文的第2章，将对氮化镓晶体管的结构和特性，进行详细的介绍。第3章将对碳化硅MOSFET的结构和特性进行详细的介绍。在第4章中，将对采用这两种功率半导体应用于同一电路中进行对比分析，从而更清晰的说明两者应用中的相同点和不同点，最后将对全文进行总结。

氮化镓晶体管结构及其特性

氮化镓晶体管的结构

与硅材料的功率半导体不同，氮化镓晶体管通过两种不同禁带宽度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的压电效应形成的二维电子气（2DEG）来导电，由于二维电子气只有高浓度电子导电，因此不存在硅MOSFET的少数载流子复合（即体二极管反向恢复）的问题。

图4所示的基本氮化镓晶体管的结构是一种耗尽模式(depletion-mode)的高电子移动率晶体管(HEMT)，这意味着在门极和源极之间不加任何电压(VGS=0V)情况下氮化镓晶体管的漏极和元件之间是导通的，即是常开器件。这与传统的常闭型MOSFET或者IGBT功率开关都完全不同，对于工业应用特别是开关电源领域是非常难以使用的。为了应对这一问题，业界通常有两种解决方案，一是采用级联(cascode)结构，二是采用在门极增加P型氮化镓从而形成增强型（常闭）晶体管。

级联结构的氮化镓是耗尽型氮化镓与一个低压的硅MOSFET级联在一起，该结构的好处是其驱动与传统硅MOSFET的驱动完全相同（因为驱动的就是一个硅MOSFET），但是该结构也有很大的缺点。

首先硅MOSFET有体二极管，在氮化镓反向导通电流时又存在体二极管的反向恢复问题。其次硅MOSFET的漏极与耗尽型氮化镓的源极相连，在硅MOSFET开通和关断过程中漏极对源极出现的振荡就是氮化镓源极对门极的振荡。

由于此振荡时不可避免的，那么就存在氮化镓晶体管被误开通和关断的可能。最后由于是两个功率器件级联在一起，限制了整个氮化镓器件的导通电阻的进一步减小的可能性。

由于级联结构存在以上问题，在功率半导体界氮化镓晶体管的主流技术是增强型氮化镓晶体管。

如图6所示，目前业界的氮化镓晶体管产品是平面结构，即源极，门极和漏极在同一平面内，这与与超级结技术(Super Junction)为代表的硅MOSFET的垂直结构不同。门极下面的P-GaN结构形成了前面所述的增强型氮化镓晶体管。

漏极旁边的另一个p-GaN结构是为了解决氮化镓晶体管中常出现的电流坍陷(Current collapse)问题。英飞凌科技有限公司的CoolGaN产品的基材（Substrate）采用硅材料，这样可以大大降低氮化镓晶体管的材料成本。由于硅材料和氮化镓材料的热膨胀系数差异很大，因此在基材和GaN之间增加了许多过渡层(Transition layers)，从而保证氮化镓晶体管在高低温循环，高低温冲击等恶劣工况下不会出现晶圆分层等失效问题。

氮化镓晶体管的特性

基于图6所示的结构，CoolGaN具有表1所示特性及其带来的优点。

表1：CoolGaN的特性及其带来的优点

从表1所示特性可知，氮化镓晶体管没有体二极管但仍旧可以反向通流，因此非常适合用于需要功率开关反向通流且会被硬关断(hard-commutation)的电路，如电流连续模式(CCM)的图腾柱无桥PFC中，可以获得极高的可靠性和效率。电路拓扑示意图如图7所示。图中Q1和Q2为氮化镓晶体管，Q3和Q4为硅MOSFET。

图7：采用氮化镓晶体管的图腾柱PFC拓扑示意图

从表1还可获知氮化镓的开关速度极快，驱动损耗小，因此非常适合于高频应用。采用氮化镓晶体管的高频开关电源具有功率密度高，效率高的优点。

由以上分析可知，氮化镓晶体管适合于高效率，高频率，高功率密度要求的应用场合。

碳化硅 MOSFET结构及其特性

碳化硅MOSFET的结构

常见的平面型(Planar)碳化硅MOSFET的结构如图9所示。为了减小通道电阻，这种结构通常设计为很薄的门极氧化层，由此带来在较高的门极输入电压下门极氧化层的可靠性风险。为了解决这个问题碳化硅MOSFET 产品CoolSiC采用了不同的门极结构，该结构称为沟槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其门极结构如图10所示。采用此结构后，碳化硅MOSFET的通道电阻不再与门极氧化层强相关，那么可以在保证门极高靠可行性同时导通电阻仍旧可以做到极低。

图9：平面型碳化硅MOSFET结构示意图

图10：CoolSiC沟槽型门极结构