9月27日，成都蓉矽半導(dǎo)體有限公司（下稱“蓉矽半導(dǎo)體”）舉行線上新品發(fā)布會，發(fā)布了第一代碳化硅NovuSiC? MOSFET G1，預(yù)告了第二代G2量產(chǎn)日程。蓉矽半導(dǎo)體副總經(jīng)理高巍博士聚焦產(chǎn)品性能作了“厚積薄發(fā)、創(chuàng)新不止”主題報告，詳細介紹了碳化硅MOSFET的開發(fā)歷程、設(shè)計理念和獨特優(yōu)勢，應(yīng)用工程師王德強則圍繞產(chǎn)品應(yīng)用展示了應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用場景和解決方案，體現(xiàn)了蓉矽半導(dǎo)體自主研發(fā)的實力和逐鹿車載芯片市場的決心。
蓉矽半導(dǎo)體，致力闖出一條新路的新銳企業(yè)
20世紀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。隨著社會電氣化水平的不斷提高，功率MOSFET經(jīng)歷了工藝進步、技術(shù)提升和材料迭代的演進過程。而碳化硅在材料制備上的重大突破極大推動了碳化硅器件的商業(yè)化進程。
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，實現(xiàn)功率密度和系統(tǒng)效率等性能的大幅提升。對國內(nèi)市場而言，SiC MOSFET因其技術(shù)、工藝復(fù)雜性高，主要依賴進口，加之新能源汽車、工控電源、光伏逆變等對新技術(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，是致力于寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅功率器件設(shè)計與開發(fā)的新銳企業(yè)。歷經(jīng)900多天的研發(fā)、打磨，深耕細作、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)布會推出NovuSiC? 1200V/75mΩ MOSFET G1產(chǎn)品。
NovuSiC? 1200V/75mΩ MOSFET，兼具高性價比與高可靠性的SiC產(chǎn)品
NovuSiC? 1200V/75mΩ MOSFET在大幅度降低靜態(tài)損耗的同時減小動態(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)，堅持電學性能、魯棒性與可靠性各項均衡、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，通過采用更低柵壓驅(qū)動，優(yōu)化柵氧工藝、柵氧化層電場強度，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。
在電學性能與魯棒性方面，NovuSiC? 1200V/75mΩ MOSFET在 VGS=16V時，可實現(xiàn)75mΩ的導(dǎo)通電阻；VGS=18V時，比導(dǎo)通電阻為4.17，在國內(nèi)市場中位居前列。1200V耐壓時，JFET區(qū)柵氧化層電場強度遠小于常規(guī)4.0MV/cm的限制，在VDD=800V條件下，短路耐受時間＞3μs。NovuSiC? 1200V/75mΩ MOSFET在提高溝道密度的同時降低了JFET區(qū)的有效面積，并透過降低Cgd對動態(tài)特性進行了優(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）將會達到現(xiàn)今國際最先進技術(shù)標準。體現(xiàn)了蓉矽半導(dǎo)體對創(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：不同廠商柵電荷和優(yōu)值對比
可靠性方面，針對FN隧穿、陷阱輔助隧穿以及外部缺陷造成的柵氧化層退化、失效等風險，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”策略對其進行針對性優(yōu)化，進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JEFT區(qū)柵氧中心：設(shè)計之初就將額定阻斷電壓1200V時的柵氧化層電場強度限制在較低水平，遠低于常規(guī)4.0MV/cm的限制，以削弱其電場強度。
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
高巍博士除了對蓉矽半導(dǎo)體的第一代NovuSiC? 1200V/75mΩ MOSFET G1進行了詳細介紹外，還預(yù)告了G2產(chǎn)品的開發(fā)進度及其性能優(yōu)勢。
NovuSiC? MOSFET G2基于更先進的工藝制程與更優(yōu)異的設(shè)計，大幅提升動靜態(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)
滿足新能源汽車應(yīng)用需求，推動我國汽車電動化轉(zhuǎn)型發(fā)展
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電池平臺系統(tǒng)
當前，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)拓撲，滿足高壓應(yīng)用需求。主拓撲主要采用全碳化硅MOSFET的三相全橋PFC和雙向諧振DC-DC拓撲，以實現(xiàn)雙向充放電功能，功率提升至11kW以上，可降低損耗50%以上并同時減小磁性器件體積70%以上，提升峰值效率達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撲方面，蓉矽NovuSiC?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)前期評估方案可行性，蓉矽半導(dǎo)體特別開發(fā)出了“EVAL-MAIN”評估板，以提供給客戶進行單雙脈沖測試，評估開關(guān)管動態(tài)性能。
圖6：蓉矽SiC MOSFET驅(qū)動評估板實物圖
該評估板由母板和靈活驅(qū)動子板組成，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)動芯片進行測試評估。
表3：驅(qū)動評估板主要參數(shù)
寫在最后
自成立以來，蓉矽半導(dǎo)體就踏實地走好、走穩(wěn)了每一步，產(chǎn)品開發(fā)的每一環(huán)節(jié)都求實、較真，滿足客戶需求，為客戶創(chuàng)造價值。未來，蓉矽將“厚積薄發(fā)，創(chuàng)新不止”，朝著成為中國領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體研發(fā)和制造基地的目標加速前進，以科技創(chuàng)新助力國家“雙碳”進程。