蓉矽半導(dǎo)體，致力闖出一條新路的新銳企業(yè)

 

　　20世紀(jì)50年代，世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步；70年代末以來，平面型、溝槽型功率MOSFET和IGBT相繼面世。隨著社會(huì)電氣化水平的不斷提高，功率MOSFET經(jīng)歷了工藝進(jìn)步、技術(shù)提升和材料迭代的演進(jìn)過程。而碳化硅在材料制備上的重大突破極大推動(dòng)了碳化硅器件的商業(yè)化進(jìn)程。

 

　　碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，具有較寬的禁帶寬度、高擊穿電場強(qiáng)度、高熱傳導(dǎo)率和高電子飽和速率的優(yōu)異物理性能，使得SiC功率半導(dǎo)體器件具備了耐高壓、耐高溫、開關(guān)速度快、損耗低等顯著優(yōu)勢，可有效縮小電路板空間、降低系統(tǒng)成本、減少能源損耗，實(shí)現(xiàn)功率密度和系統(tǒng)效率等性能的大幅提升。對(duì)國內(nèi)市場而言，SiC MOSFET因其技術(shù)、工藝復(fù)雜性高，主要依賴進(jìn)口，加之新能源汽車、工控電源、光伏逆變等對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用及需求迅速增加，國產(chǎn)化空間十分廣闊。

 

　　蓉矽半導(dǎo)體成立于2019年12月，是四川省首家專注于寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅功率器件設(shè)計(jì)與開發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)。歷經(jīng)900多天的研發(fā)、打磨，深耕細(xì)作、厚積薄發(fā)，繼2022年6月底，發(fā)布其自主開發(fā)碳化硅NovuSiC® EJBS®二極管系列產(chǎn)品之后，于本次發(fā)布會(huì)推出NovuSiC®1200V/75mΩ MOSFET G1產(chǎn)品。

 

 

　　NovuSiC®1200V/75mΩ MOSFET在大幅度降低靜態(tài)損耗的同時(shí)減小動(dòng)態(tài)損耗，可以提高系統(tǒng)整體功率密度，降低系統(tǒng)總成本，在新能源汽車、直流充電樁、光伏系統(tǒng)等領(lǐng)域表現(xiàn)亮眼。

 

　　蓉矽半導(dǎo)體在SiC MOSFET開發(fā)過程中，從應(yīng)用場景出發(fā)，堅(jiān)持電學(xué)性能、魯棒性與可靠性各項(xiàng)均衡、優(yōu)化的理念。即兼顧比導(dǎo)通電阻和柵氧化層電場的同時(shí)，通過采用更低柵壓驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化柵氧工藝、柵氧化層電場強(qiáng)度，降低結(jié)終端的曲率效應(yīng)等舉措來提高器件的魯棒性和長期可靠性。

 

　　在電學(xué)性能與魯棒性方面，NovuSiC® 1200V/75mΩ MOSFET在 VGS=16V時(shí)，可實(shí)現(xiàn)75mΩ的導(dǎo)通電阻；VGS=18V時(shí)，比導(dǎo)通電阻為4.17，在國內(nèi)市場中位居前列。1200V耐壓時(shí)，JFET區(qū)柵氧化層電場強(qiáng)度遠(yuǎn)小于常規(guī)4.0MV/cm的限制，在VDD=800V條件下，短路耐受時(shí)間＞3μs。NovuSiC®1200V/75mΩ MOSFET在提高溝道密度的同時(shí)降低了JFET區(qū)的有效面積，并透過降低Cgd對(duì)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了優(yōu)化；柵極電荷與國際競品近似，優(yōu)值高于業(yè)界平均水平，且從G2開始（1Q’23）將會(huì)達(dá)到現(xiàn)今國際最先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。體現(xiàn)了蓉矽半導(dǎo)體對(duì)創(chuàng)新和品質(zhì)的極致追求。

 

　　表1. NovuSiC?1200V/75mΩ MOSFET G1關(guān)鍵參數(shù)

 

 

 

 

 

　　圖1：蓉矽半導(dǎo)體NovuSiC®1200V/75mΩ MOSFET導(dǎo)通特性

 

 

 

　　圖2：蓉矽半導(dǎo)體NovuSiC®1200V/75mΩ MOSFET短路魯棒性

 

 

　　圖3：不同廠商?hào)烹姾珊蛢?yōu)值對(duì)比

 

　　可靠性方面，針對(duì)FN隧穿、陷阱輔助隧穿以及外部缺陷造成的柵氧化層退化、失效等風(fēng)險(xiǎn)，蓉矽半導(dǎo)體提出“控制柵氧化層電場、提高柵氧化層質(zhì)量/篩除柵氧化層缺陷”策略對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，進(jìn)一步提高了柵氧化層可靠性。

 

　　一、平面SiC MOSFET中，柵氧化層高電場主要集中在溝道位置與JEFT區(qū)柵氧中心位置。

 

　　1)針對(duì)溝道位置處電場：通過采用更低的工作柵壓，保障柵氧化層的長期可靠性；

 

　　2) 針對(duì)JEFT區(qū)柵氧中心：設(shè)計(jì)之初就將額定阻斷電壓1200V時(shí)的柵氧化層電場強(qiáng)度限制在較低水平，遠(yuǎn)低于常規(guī)4.0MV/cm的限制，以削弱其電場強(qiáng)度。

 

　　二、晶圓測試階段引入WLTBI（Wafer-Level Test & Burn-In）以篩除柵氧化層于產(chǎn)品生命周期中的潛在退化/失效。

 

 

　　圖4：蓉矽半導(dǎo)體的可靠性保障策略

 

　　高巍博士除了對(duì)蓉矽半導(dǎo)體的第一代NovuSiC?1200V/75mΩ MOSFET G1進(jìn)行了詳細(xì)介紹外，還預(yù)告了G2產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度及其性能優(yōu)勢。

 

　　NovuSiC®MOSFET G2基于更先進(jìn)的工藝制程與更優(yōu)異的設(shè)計(jì)，大幅提升動(dòng)靜態(tài)性能。其中，比導(dǎo)通電阻Ron,sp可降低24%，柵電荷Qg下降25%，具有高效率、高開關(guān)頻率、高功率密度的性能優(yōu)勢。

 

　　表2. NovuSiC®MOSFET G2關(guān)鍵參數(shù)

 

 

 

　　在新能源汽車、充電樁、電驅(qū)控制等領(lǐng)域，碳化硅功率器件可提升整車效率，增加續(xù)航里程，是應(yīng)用的主流趨勢。加之中國擁有全球最大的市場規(guī)模，行業(yè)需求旺盛。蓉矽半導(dǎo)體根據(jù)不同的應(yīng)用場景推出了高性價(jià)比的NovuSiC®系列產(chǎn)品和高可靠性的DuraSiC®系列產(chǎn)品，其中DuraSiC®系列產(chǎn)品主要應(yīng)用于OBC和車載DC-DC中。

 

 

 

　　圖5：OBC 800V電池平臺(tái)系統(tǒng)

 

　　當(dāng)前，隨著快充和雙向充放電需求的持續(xù)增長，OBC輸入電壓提升至380VAC、電池電壓提升至800V，采用1200V碳化硅器件可簡化系統(tǒng)拓?fù)?，滿足高壓應(yīng)用需求。主拓?fù)渲饕捎萌蓟鐼OSFET的三相全橋PFC和雙向諧振DC-DC拓?fù)?，以?shí)現(xiàn)雙向充放電功能，功率提升至11kW以上，可降低損耗50%以上并同時(shí)減小磁性器件體積70%以上，提升峰值效率達(dá)97%以上。

 

　　在直流充電樁領(lǐng)域，高壓化、智能化、多元化發(fā)展趨勢明顯。在直流充電模塊主拓?fù)浞矫妫匚鵑ovuSiC®方案有著DC-DC系統(tǒng)簡單、控制方便、開關(guān)損耗低、效率提升明顯等諸多優(yōu)勢，可釋放更多控制資源。

 

　　在10kW光伏逆變器應(yīng)用中，相較硅基IGBT方案，采用蓉矽碳化硅NovuSiC?方案后，可實(shí)現(xiàn)20kHz開關(guān)頻率下，降低總損耗50%，提升效率2%；或在總損耗相同的情況下，將開關(guān)頻率提升1倍，減小系統(tǒng)體積60%以上。

 

　　為了方便客戶在產(chǎn)品開發(fā)前期評(píng)估方案可行性，蓉矽半導(dǎo)體特別開發(fā)出了“eval-MAIN”評(píng)估板，以提供給客戶進(jìn)行單雙脈沖測試，評(píng)估開關(guān)管動(dòng)態(tài)性能。

 

 

　　圖6：蓉矽SiCMOSFET驅(qū)動(dòng)評(píng)估板實(shí)物圖

 

　　該評(píng)估板由母板和靈活驅(qū)動(dòng)子板組成，有電容隔離技術(shù)和磁隔離技術(shù)兩種方案，此評(píng)估板適用于TO247-3和TO247-4封裝的碳化硅MOSFET，可兼容多款驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行測試評(píng)估。

 

　　表3：驅(qū)動(dòng)評(píng)估板主要參數(shù)