2023年3月29日，在AspenCore主辦的2023 IIC SH展會(huì)同期的第二屆碳中和暨綠色能源電子產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展高峰論壇上，蓉矽半導(dǎo)體副總裁、研發(fā)中心總經(jīng)理高巍先生，圍繞“功率半導(dǎo)體技術(shù)助力節(jié)碳減排”的主題做了精彩分享。4bnesmc

蓉矽半導(dǎo)體是一個(gè)初創(chuàng)公司，2019年成立于四川成都，是專注碳化硅功率器件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)。從2019年到今天，我們用了3年的時(shí)間，完成了1,200V的碳化硅二極管和MOS管的設(shè)計(jì)、量產(chǎn)，建立了以碳化硅高性價(jià)比的高可靠系列產(chǎn)品，同時(shí)在供應(yīng)鏈體系保障和質(zhì)量體系都建立了完善了體系。4bnesmc

SiC在雙碳背景下的發(fā)展機(jī)遇

由于碳排放帶來(lái)的空氣污染、冰川熔化等問(wèn)題，已經(jīng)成為人類必須要面對(duì)的嚴(yán)峻問(wèn)題。根據(jù)中國(guó)的雙碳目標(biāo)：到2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。從雙碳目標(biāo)可以看出，中國(guó)與歐美國(guó)家相比，無(wú)論從總量上還是時(shí)間上，都面臨極大的挑戰(zhàn)性。4bnesmc

用辯證的方法來(lái)看，挑戰(zhàn)往往會(huì)與機(jī)遇并存。中國(guó)市場(chǎng)將面臨怎樣的機(jī)遇？在未來(lái)30年內(nèi)，中國(guó)新能源領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)高速發(fā)展期，而碳化硅(SiC)會(huì)在其中發(fā)揮出重要作用。具體來(lái)看，中國(guó)節(jié)能減碳的著力點(diǎn)是——電力、交通工業(yè)、可再生能源，而高效電力設(shè)備和新能源汽車(chē)是發(fā)展的重點(diǎn)。與硅相比，碳化硅具備明顯的高頻、高壓、高溫優(yōu)勢(shì)，所以它非常適合于直流充電樁、新能源汽車(chē)、光伏儲(chǔ)能和開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域的應(yīng)用。4bnesmc

整個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)鏈包括了從光伏、風(fēng)電儲(chǔ)能，到輸變電、充電樁等細(xì)分應(yīng)用。新能源產(chǎn)業(yè)鏈的電力部分和交通領(lǐng)域都是蓉矽半導(dǎo)體重點(diǎn)發(fā)力的方向。4bnesmc

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電力部分涉及到風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)，傳統(tǒng)硅基功率器件的電壓一般為1,700V和3,300V，隨著風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)新方案的推出，市面上有了最新的1,500V系統(tǒng)。蓉矽半導(dǎo)體在2021年立項(xiàng)了2,000V的碳化硅產(chǎn)品，這一新產(chǎn)品圍繞1,500V系統(tǒng)，并針對(duì)新型的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)開(kāi)發(fā)。另外，在交通領(lǐng)域，圍繞著800V的充電平臺(tái)，蓉矽半導(dǎo)體提出了M-MOS^TM技術(shù)。4bnesmc

SiC在光伏逆變系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)

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隨著光伏逆變對(duì)功率器件要求的變化，一方面是1,500V光伏逆變系統(tǒng)需要2,000V碳化硅功率器件，另一方面是對(duì)碳化硅二極管有了超10倍抗浪涌能力的要求，同時(shí)也要求更高功率、更小體積、更輕重量。4bnesmc

高巍列舉了兩個(gè)方案來(lái)展示碳化硅功率器件在光伏中的優(yōu)勢(shì)。在基于1,100V光伏逆變系統(tǒng)中：其中一個(gè)是混合方案，另一個(gè)是純碳化硅方案。開(kāi)關(guān)頻率相同的情況下，碳化硅功率器件方案的整體功耗可降低50%，在97.9W@10kW功率損耗的情況下，當(dāng)把功率提高到40kHz，將能縮減大約60%的功率器件體積。4bnesmc

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在新的1,500V光伏逆變系統(tǒng)中，采用2,000V的碳化硅MOSFET&JBS，三電平簡(jiǎn)化為兩電平，實(shí)現(xiàn)Boost PFC拓?fù)浜?jiǎn)化，其使用的器件數(shù)量可減少50%，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步提升效率，這是一個(gè)新型的需求。4bnesmc

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圍繞著以上方案，蓉矽半導(dǎo)體規(guī)劃了其碳化硅功率MOS管的發(fā)展路徑。4bnesmc

2021年，蓉矽半導(dǎo)體在臺(tái)灣漢磊科技的4英寸工藝平臺(tái)，上完成了對(duì)NovuSiC^® MOSFET G1的研發(fā)，2022年轉(zhuǎn)入漢磊科技6英寸工藝平臺(tái)量產(chǎn)。2022年第二代產(chǎn)品在漢磊6英寸平臺(tái)完成工程驗(yàn)證，計(jì)劃將于2023年開(kāi)始量產(chǎn)。4bnesmc

蓉矽半導(dǎo)體的第一代產(chǎn)品有1,200V/75mΩ、1,200V/40 mΩ、1,200V/12mΩ三個(gè)系列。圍繞1,500V的儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景，公司還推出了第二代(NovuSiC^® MOSFET G2)也有三個(gè)系列，分別為2,000V/75mΩ、2,000V/40mΩ和2,000V/15mΩ。4bnesmc

在產(chǎn)品性能方面，與國(guó)內(nèi)其他廠商的產(chǎn)品做比較，第一代的G1在比導(dǎo)通電阻和FOM方面與達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平。4bnesmc

另外，在碳化硅的二極管方面，蓉矽半導(dǎo)體利用自有技術(shù)，其碳化硅JBS采用了PIN和SBD的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于PIN結(jié)構(gòu)在器件反向阻斷狀態(tài)中用于屏蔽肖特基區(qū)電場(chǎng)從而降低反向漏電；SBD結(jié)構(gòu)可降低導(dǎo)通壓降并且能獲得單極導(dǎo)通模式。通過(guò)優(yōu)化的工藝設(shè)計(jì)，能在不增加工藝復(fù)雜度的同時(shí)，獲得高抗浪涌電流能力等同MPS的碳化硅JBS，實(shí)現(xiàn)了抗浪涌電流能力11倍的目標(biāo)。4bnesmc

SiC在交通節(jié)碳方面的優(yōu)勢(shì)

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在交通節(jié)碳領(lǐng)域，功率器件在800V高壓快充有很好的應(yīng)用。保時(shí)捷、吉利、比亞迪都推出了800V充電平臺(tái)，圍繞800V的充電平臺(tái)就有充電樁需求。傳統(tǒng)充電樁模塊的功率自20kW開(kāi)始，它應(yīng)用在400V的充電平臺(tái)，該平臺(tái)使用的碳化硅MOS管電壓為600V。隨著800充電平臺(tái)的發(fā)展，它需要使用1,200V的碳化硅MOS管，模塊功率也從20kW變成了40kW-50kW，在采用碳化硅器件之后，其效能目標(biāo)也從95%增長(zhǎng)到了98%。4bnesmc

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以40kW的直流充電模塊方案為例，其系統(tǒng)拓?fù)涫侨嗳珮騊FC+CLLC，功率達(dá)到了40kW，在這樣的結(jié)構(gòu)下，采用1,200V的碳化硅MOS管，它的系統(tǒng)拓?fù)鋾?huì)更加簡(jiǎn)單，與硅基相比其器件數(shù)量將減少50%，損耗下降50%以上，效率約提升2%，峰值可以達(dá)到97%，這是碳化硅帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。4bnesmc

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當(dāng)然，碳化硅MOS管在交通領(lǐng)域最大的問(wèn)題在于體二極管，主要可以總結(jié)為四個(gè)痛點(diǎn)：4bnesmc

其中，第一個(gè)痛點(diǎn)是碳化硅MOS的寄生體二極管導(dǎo)通壓降大，這帶來(lái)了損耗大和雙極退化的缺點(diǎn)。如上圖左邊部分展示的內(nèi)容，業(yè)界稱之為SiC體二極管雙極退化，它帶來(lái)的是功耗的進(jìn)一步放大；第二個(gè)痛點(diǎn)是負(fù)溫度系數(shù)，并聯(lián)存在均流問(wèn)題；第三個(gè)痛點(diǎn)是它的雙極特性，反向恢復(fù)損耗不為零，這導(dǎo)致SiC體二極管在某些應(yīng)用場(chǎng)景中的功耗大；第四個(gè)痛點(diǎn)是SiC體二極管存在參數(shù)一致性差的問(wèn)題，參數(shù)一致性不好導(dǎo)致電流不均，最后會(huì)在柵極上造成嚴(yán)重的諧振，帶來(lái)可靠性問(wèn)題。4bnesmc

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圍繞SiC體二極管的痛點(diǎn)，蓉矽半導(dǎo)體提出了一個(gè)創(chuàng)新——M-MOS^TM技術(shù)，這是一個(gè)集成化的產(chǎn)品，上圖右下圖的位置①部分有一個(gè)MCR的結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)柵控的二極管結(jié)構(gòu)，是將G/S短接的MOSFET，當(dāng)器件工作在第三象限時(shí)，MCR表現(xiàn)為轉(zhuǎn)移特性，輸出單極型電流，完全消除反向恢復(fù)電流，降低開(kāi)關(guān)損耗。除了集成化的結(jié)構(gòu)以外，在M-MOS^TM中還采用了一種新型的分離柵MOSFET結(jié)構(gòu)，具體可見(jiàn)上圖右下圖的位置②部分，它可有效降低器件的密勒電容，降低開(kāi)關(guān)損耗。4bnesmc

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M-MOS^TM結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的VDMOS，后者采用寄生體二極管進(jìn)行續(xù)流的工作，M-MOS^TM結(jié)構(gòu)是通過(guò)MCR進(jìn)行第三象限的電流輸出，MCR的導(dǎo)通壓降主要取決于其閾值電壓，尤其是通過(guò)對(duì)MCR P-Base進(jìn)行一個(gè)劑量的注入，從而使得MCR的導(dǎo)通壓降遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)體二極管。4bnesmc

上圖右圖中的藍(lán)色部分是傳統(tǒng)體二極管導(dǎo)通壓降的曲線，紅色部分是MCR導(dǎo)通壓降的曲線，通過(guò)對(duì)比兩者的數(shù)據(jù)，可看出MCR結(jié)構(gòu)的引入，會(huì)極大降低體二極管的損耗。4bnesmc

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針對(duì)雙極退化問(wèn)題，電流的控制非常重要，M-MOS^TM的電流采用溝道控制型的MCR來(lái)替代PIN二極管，可避免雙極退化并保證體二極管電流的一致性。4bnesmc

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另外，關(guān)于反向恢復(fù)電流問(wèn)題。反向恢復(fù)電流主要由少數(shù)載流存儲(chǔ)效應(yīng)帶來(lái)，這是雙極型器件特有的現(xiàn)象，M-MOS^TM結(jié)構(gòu)是一個(gè)單極型器件，它的反向恢復(fù)電流造成的額外功耗非常低。4bnesmc

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通過(guò)降低密勒電容的手段，可進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗降，上圖左圖紅色虛線圈出的位置采用一種分離柵結(jié)構(gòu)，可有效地降低整個(gè)密勒電容。同時(shí)，器件的開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)在該結(jié)構(gòu)下大幅度降低，并且可以避免在高頻應(yīng)用下的串?dāng)_問(wèn)題，這是降低密勒電容帶來(lái)的好處。4bnesmc

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除了以上的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)之外，在一些場(chǎng)景中，集成MCR的SiC MOSFET與集成SBD的SiC MOSFET結(jié)構(gòu)相比，MCR結(jié)構(gòu)也有一些突出優(yōu)勢(shì)。比如，傳統(tǒng)改善體二極管特性的方式是單片集成肖特基二極管，但肖特基勢(shì)壘不具備溫度穩(wěn)定性，在高溫高電場(chǎng)的作用下勢(shì)壘高度迅速降低，這會(huì)造成器件漏電激增，在雪崩狀態(tài)下，溫度和雪崩電流之間會(huì)形成正反饋，從而導(dǎo)致器件失效。M-MOS^TM單片集成MCR，用溝道勢(shì)壘替代肖特基勢(shì)壘，在雪崩狀態(tài)下高溫不會(huì)使得勢(shì)壘過(guò)低，這保障了器件在雪崩狀態(tài)下的魯棒性。4bnesmc

對(duì)SiC產(chǎn)品的可靠性思考

高巍表示，針對(duì)SiC產(chǎn)品的可靠性，蓉矽半導(dǎo)體也有一些思考。“碳化硅功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用場(chǎng)景，已經(jīng)不再只局限于消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，它正在往工業(yè)級(jí)和汽車(chē)級(jí)應(yīng)用方向前進(jìn)。傳統(tǒng)的可靠性要求將不能滿足需求。”4bnesmc

據(jù)悉，針對(duì)整個(gè)工業(yè)級(jí)和車(chē)規(guī)級(jí)的需求，蓉矽半導(dǎo)體對(duì)可靠性做了分析和研究，并提出了一些方案。比如，建立零缺陷的可靠性企業(yè)文化，從企業(yè)建設(shè)的角度來(lái)考慮。4bnesmc

此外，蓉矽半導(dǎo)體還在整個(gè)供應(yīng)鏈和公司內(nèi)部體系，建立汽車(chē)及電子器件可靠性管理體系，在供應(yīng)鏈方面，保證所有合作伙伴都有IATF16949:2016質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)體系認(rèn)證，同時(shí)公司內(nèi)部還建立了AEC-Q101+的可靠性驗(yàn)證體系等。4bnesmc

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針對(duì)大家特別關(guān)心的化硅MOS管柵氧化層的問(wèn)題，為了解決高電場(chǎng)的隧穿效應(yīng)帶來(lái)的漏電，蓉矽半導(dǎo)體把電場(chǎng)集中的區(qū)域分為兩個(gè)區(qū)域，上圖左圖紫色圈是柵氧化層的電場(chǎng)，紅色圈是溝道位置的集中，這兩個(gè)位置是對(duì)器件的柵氧最集中的地方。通過(guò)設(shè)計(jì)削弱電場(chǎng)的強(qiáng)度，從而可以保證器件在應(yīng)用過(guò)程中，在開(kāi)關(guān)的高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程中的可靠性得到進(jìn)一步保證。4bnesmc

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根據(jù)一些特殊場(chǎng)合的需要，在晶圓制造完到晶圓切割封測(cè)之前，蓉矽半導(dǎo)體還引入了一個(gè)WLTBI系統(tǒng)，以篩除柵氧化層于產(chǎn)品生命周期中的潛在退化和失效。高巍透露說(shuō)，預(yù)計(jì)在今年5月份，大家就會(huì)看到全套系統(tǒng)是如何工作的信息，屆時(shí)他將分享“WLTBI試驗(yàn)?zāi)芊癜褲撛诘臇叛趸瘜尤毕萏舫鰜?lái)”的信息。4bnesmc