SiC功率器件專利布局的研究與分析

徐國亮 盧振宇

摘? 要： 近年來，作為第三代半導體器件代表的SiC功率器件的技術發展引人注目。通過對SiC功率器件的分類與研發熱點的介紹，同時對于SiC功率器件在全球和在華的專利布局趨勢、主要申請主體以及重點專利技術發展路線的研究與分析，讓國內企業了解行業競爭態勢，作為未來發展方向的情報資源。

關鍵詞： 碳化硅;功率器件;專利布局;發展路線

中圖分類號： TN304? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.041

本文著錄格式：徐國亮，盧振宇. SiC功率器件專利布局的研究與分析[J]. 軟件，2020，41（09）：153157+164

【Abstract】： Recently， the SiC power device，which called the representation of the third generation semiconductor device，has a impressive progress in technical development. Instruction to the device classification and R&D hotspots is present， together with research and analysis on the SiC power device from patent layout in global and in China、chief applicants and key technology development route. In order to providing competitive information to the mainland company for future development.

【Key words】： SiC; Power device; Patent layout; Development route

0? 引言

隨著半導體材料及器件工藝技術的進步，傳統硅基半導體器件的制造工藝和性能表征已經趨于極限，對于需要耐高溫高壓的功率器件而言，現有的硅基器件都無法在200℃以上的環境中正常工藝。在這種情況下，以碳化硅[1]（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料繼第一代Si/Ge基和第二代化合物半導體材料后開始快速發展。SiC作為第3代半導體的杰出代表之一，相比前兩代半導體材料，具有寬帶隙、高熱導率、較大的電子飽和漂移速率、高化學穩定性、高擊穿電場等諸多優點，因此能夠很好地解決了硅基半導體功率器件所面臨的技術問題;同時相比于GaN對于襯底材料的苛刻要求，SiC更易于外延制造高質量的晶體，具有更高的熱導率并能夠在高溫和輻射環境下工作。因此，SiC基半導體功率器件獲得了廣泛的應用[2-5]。

1? SiC功率器件

以下主要從器件分類和研發熱點兩方面介紹SiC功率器件。

1.1? 器件分類

SiC功率器件總體上可以分為三大類：功率整流器、單極性功率器件以及雙極性功率器件。

1.1.1? 功率整流器

SiC功率整流器進一步包括SiC肖特基勢壘二極管（SBD）、PiN/PN結二極管以及結勢壘肖特基（JBS）二極管三類：（1）SiC SBD具有近乎理想的動態性能，不存在電荷存儲效應，開關速度更快，工作頻率更高，是半導體功率器件中重要的高頻整流器件之一，其也是最早商業化的半導體功率器件，已經得到廣泛應用。第一只SiC SBD誕生于1992年，其擊穿電壓為400 V。（2）SiC基PiN/PN結二極管是廣泛采用的高壓功率整流器之一，其在擊穿電壓3 kV以上時具有明顯優勢，其臨界擊穿場強為Si的10倍，由此得到較低正向導通損耗和較快開關速度。（3）JBS二極管不但具有SBD開啟電壓小、開關速度快的優點，而且具備PiN/PN結二極管的低漏電流、高擊穿電壓的優勢，但是工藝要更復雜。

1.1.2? 單極性功率器件

SiC單極性功率器件主要包括金屬-氧化物（絕緣層）-半導體場效應晶體管（MOSFET或MISFET）、金屬-半導體場效應晶體管（MESFET）及結型場效應晶體管（JFET）：（1）SiC 功率MOSFET/MISFET相比于Si功率MOSFET/MISFET器件，具有導通電阻低、開關速度高、高穩定性及高溫工作能力等優點。SiC功率MOSFET/MISFET存在的主要問題是柵氧化層/柵介質層的長期可靠性及溝道電阻的問題。對于SiC功率MOSFET/MISFET，溝道電阻是影響導通電阻的主要因素，因此改善柵絕緣層與SiC半導體之間的界面特性是提高載流子遷移率、降低導通電阻的重要途徑。（2）SiC功率MESFET的工作過程與MOSFET/ MISFET類似，都是通過控制柵極電壓來實現導電通路的開關，不同之處在于MESFET采用肖特基結柵來控制多子導電，并且其制造工藝相對簡單，具有線性化程度高，匹配簡單等許多應用方面的優勢。（3）SiC JFET作為一種結型場效應晶體管，其輸出特性類似于MOSFET/MISFET，并且沒有柵氧化層/柵介質層帶來的低遷移率和可靠性等問題，能工作于高電流增益和高溫環境下。其次，JFET的器件結構相對簡單，制備工藝比較完善，是目前SiC器件中應用最廣泛的電壓控制型器件。

1.1.3? 雙極性功率器件

SiC雙極性功率器件主要包括雙極性結型晶體管（BJT）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）：（1）SiC BJT功率器件相對于Si基BJT功率器件最大的優勢之一在于其二次擊穿現象得到緩解，因為SiC BJT功率器件的二次擊穿的臨界電流密度大約是Si的100倍。同時由于SiC臨界擊穿電場大，SiC BJT的基極和集電極可以很薄，從而提高了器件的電流增益和開關速度。SiC基BJT與MOSFET器件相比，其驅動電路較為復雜，但是和JFET器件相比，其制作工藝更簡單。（2）SiC IGBT功率器件基于電導調制效應，可以實現高擊穿電壓、大電流、低導通電阻等特性，并且作為電壓控制型器件，與SiC柵控晶閘管相比，可以工作在更高的頻率。因此，當擊穿電壓超過15 kV時，SiC IGBT功率器件因為電導調制效應而能夠實現較低的導通電阻，這是IGBT功率器件相對于MOSFET功率器件的優勢。

2.2? 申請主體分析

表1示出了SiC功率器件領域中全球申請主體前十位的排名情況。從表中可以看到，前10名申請主體中，日本申請主體由住友、三菱、電裝、富士、NIIT、日立占據6席且包攬前4名，美國老牌龍頭克里排名第5，德國的英飛凌占據第10位，來自中國的兩所高校電子科技大學和西安電子科技大學也展現了在SiC功率器件領域的深厚底蘊，進入到全球申請人占據第7、第8位。日本顯示出其在半導體器件領域的卓越實力，目前可以說引領著SiC功率器件的技術發展，美國的LED照明龍頭企業克里（又稱科銳）在GaN基和SiC基發光器件領域深耕多年，在SiC功率器件領域也具備深厚實力;出身自西門子半導體部門的英飛凌在該領域代表著歐洲的最強技術。從表1中示意的3年/5年活躍度數據顯示，雖然住友、三菱、電裝憑借雄厚的基礎實力排名前三，但從其近年來在SiC方向上的專利申請活躍度來看，顯示其在SiC功率器件領域的研發投入在逐漸降溫，這一結果與與圖1全球專利申請趨勢在2014-2016年呈現低谷狀態是一致的。

另外，表2示出了在華申請主體的排名情況，與全球申請主體排名相比，一個顯著的變化是其中多了兩個來自中國的申請主體，分別占據第8位的中國中車和占據第10位的北京世紀金光，其中中國中車自2011年與中科院微電子所成立聯合研發中心，成為覆蓋SiC襯底、外延、器件、模組的全產業鏈IDM企業;而北京世紀金光更是成立與2010年的新銳，近年來發展勢頭迅猛。通過3年/5年活躍度指標顯示，在華排名前10的申請主體中，電子科技大學和北京世紀金光在SiC功率器件方向上的專利布局尤為積極，同時也注意到，美國龍頭企業Cree近年來在華的專利布局幾乎為0，但仍然憑借其在SiC晶圓方面的壟斷實力占有國內40%的SiC晶圓市場。

由前述分析可知，SiC功率器件的全球專利申請主要集中在日本和美國。為了進一步定量化分析SiC功率器件領域的整體技術壟斷趨勢，圖2示出了SiC功率器件領域申請人集中度的變化趨勢。可以看到，1984～1993年，前十位申請人成長迅速，申請人集中度指數（全球和3/5局專利申請比例，3/5局專利申請指的是在美日歐中韓5個局中的3個及以上的局中遞交的專利申請項。）不斷攀升，這主要是因為20世紀70年代后期，SiC單晶材料的制備具有了實質性地進展，SiC功率器件逐漸成為全球的研究熱點，但由于SiC單晶材料制備的難度大，全球的SiC襯底晶圓也只能供應少數企業進行器件的研究和開發，因此這期間SiC功率器件領域申請人集中度指數不斷上升。從1994年開始，前十位申請人全球專利申請比例基本保持穩定，但穩中有上升，一直持續到2013年，在這期間，前十位申請人3/5局專利申請比例在1999～2003年間出現一個小幅下降之后，一路攀升至超過60%。這一變化趨勢一方面是由于SiC單晶材料制備工藝的進步使得全球的SiC襯底晶圓的供應量增加，越來越多的企業參與到SiC功率器件行業中，導致在全球范圍內申請人的集中度保持相對穩定;另一方面則是由于中國自20世紀90年中后期開始扶持發展SiC材料的制備技術以及SiC功率器件技術，諸如北京世紀金光、中車、泰科天潤等中國申請人的增加使得海外申請人在中國大陸的專利布局收到擠壓，也正是因為中國申請人的增加，尤其是2014年～2018年間，中國申請人出現激增，這很大程度上降低了全球申請人集中度，使得2014～2018年間申請人集中度指數呈現下降趨勢，而中國申請人主要集中在本國申請，海外申請很少，這也進一步降低了前十位申請人3/5局專利申請的比例。

可見，在全球范圍內，SiC功率器件領域的產業壟斷程度相對較低，申請人集中度指數基本保持在50%以下，但是全球范圍內SiC功率器件的市場競爭則會更加激烈。此外，SiC功率器件領域中國申請人的進入，打破了全球申請人集中度持續上升的趨勢。然而，由于目前SiC功率器件的技術發展已經開始進入了成熟期，在未來一段時間內，申請人集中度有可能出現再次上升的趨勢，因此，中國申請人急需技術上的研發投入以打破國外申請人的技術壁壘。

3? 中外企業重點專利技術發展路線

本小節主要對SiC功率器件領域主要申請主體的專利技術進行比較分析，通過被引頻次大于30篩選出重點專利，并分析其技術改進方向，從而形成時間線下的SiC功率器件重點技術發展路線，為國內企業的發展提供參考資訊。

針對上述篩選出的重點專利，并結合相互間的引證關系，對其技術發展路線進行分析，如圖3所示。從圖中所示的引證關系可以看到，不同種器件類型相互之間存在關聯，例如BJT中的一項技術改進可以為MOSFET或JFET所用，而MOSFET中的一項技術改進同樣也可以為JFET或IGBT的技術發展提供基礎。圖中標注五角星的專利被后續多篇專利所引用，反映出這些專利的重要性。

從技術的時間發展來看，場控功率器件（包括MOSFET和JFET）在各個時期均是SiC功率器件領域重點發展的器件類型，早期的發展側重在終端、柵極結構及有源區結構的發展，這與一般Si功率器件發展的側重點基本相同。例如，1992年美國北卡羅萊納州立大學提出US5233215A專利，其終端區域形成終端溝槽，溝槽中共形地沉積絕緣襯層并填充多晶硅以形成浮空場環，這樣的結構避免采用耗時的高溫擴散工藝來形成浮空場環。由于SiC材料中雜質的擴散系數比在Si中要小很多，因此對于SiC功率器件而言，這樣的結構能夠極大地改善工藝，簡化SiC功率器件的制備過程。同一年，美國克里公司提出US5506421A專利，其采用UMOS或VMOS結構，并且在形成柵極絕緣層的過程中，首先在柵極溝槽中沉積一薄層多晶硅作為犧牲層，然后將該多晶硅犧牲層進行熱氧化形成SiO2。由于硅氧化速率比SiC快，但是熱氧化所需溫度比SiC低，因此可以在較低的溫度下對犧牲多晶硅進行熱氧化，形成的熱氧化膜均勻、質量好，并且其覆蓋的SiC基本上不被氧化消耗，因此形成的熱氧化膜中不含有氧化SiC所產生的COx副產物，可以獲得界面態少的SiO2/SiC界面。在SiC功率器件中，SiO2/SiC界面的界面態是影響電子遷移率的重要因素，降低該界面態將能夠提高載流子遷移率，因此該專利通過對柵絕緣層的改進降低了SiC功率器件的導通電阻。1998年美國北卡羅萊納州立大學提出US6023078專利，其有源區位于電壓支持區的兩側，電壓支持區中包括多個間隔開的電絕緣區域，兩側的有源區均為電荷累積型場效應晶體管（AccuFET），這種創新型的有源區結構設計，一方面能夠降低導通壓降，也即降低了導通電阻，另一方面實現雙向驅動能力，并且電壓支持區保證了高耐壓特性。

2000年之后，MOSFET中出現利用SiC特定材料性質的技術改進，即載流子沿著特定晶面流動具有較大的遷移率，因此通過選擇特定晶向的SiC襯底并采用特定的刻蝕方法，可以形成具有特定晶向的溝道平面，如此形成的SiC功率器件具有較大的載流子遷移率。例如，2001年日本關西電力株式會社提出專利JP2002261275A，其柵絕緣膜位于4H型SiC的{03–38}晶面上，其相對于{03–38}晶面的偏離角范圍在10°以內，相比于傳統的SiC功率器件所采用的{0001}晶面，{03–38}晶面上的載流子具有更大的遷移率，高達100 –120 cm2/Vs，因此，溝槽層位于{03–38}晶面上的SiC MOSFET功率器件在導通電阻、驅動電流方面均具有極大的優勢。受該專利的啟發，2011年日本國立大學奈良研究所提出專利WO2012026089A，其柵絕緣膜位于SiC相對于{11–20}晶面具有偏向{000–1}晶面約10～20°范圍的晶面上，在該晶面上其電子遷移率相對較高，并且界面態密度也進一步降低，因此可以進一步提高電子遷移率，最終器件的載流子遷移率可以達到90 cm2/Vs甚至更高，進而也能夠降低SiC功率器件的導通電阻并增大驅動電流。

值得一提的是，早在1987年BJT中出現的臺面有源區結構（1987年美國北卡羅萊納州立大學提出的專利US4945394A）在后續的發展中被應用于JFET中，并且成為JFET中的常規結構。例如，1991年美國克里公司提供專利US5264713A，其有源區為臺面結構，結型柵形成在兩臺面結構之間的溝槽中，通過控制兩臺面間溝槽的寬度來實現對JFET中溝道長度的控制，進而弱化SiC低電子遷移率對JFET器件性能的影響。2008年美國半南實驗實公司提出專利US7977713，其有源區也為臺面結構，結型柵形成在臺面結構兩側的凹槽中，并且該臺面結構第一部分具有第一平均摻雜濃度，其低于臺面結構第二部分的第二平均摻雜濃度，這樣的結構能夠降低SiC JFET功率器件的導通電阻，并且提高器件的擊穿電壓。在SiC BJT功率器件中，還存在一種創新性的異質結柵結構，其出現在1996年美國北卡羅萊納州立大學提出的專利US5753938A中，其為一種異質結柵靜電感應晶體管（屬于BJT中的一種），結型柵形成在有源區兩側的凹槽內，由P型摻雜的多晶硅填充構成異質結柵，其中有源區為N型摻雜的6H型SiC。這種異質結柵結構提高P型多晶硅中空穴的勢壘，進而極大地降低注入至漂移區的空穴，因此，漂移區中的存儲電荷減少，能夠改善SiC JFET功率器件的開關速度，進而在高頻應用上具有明顯的優勢。

對于IGBT器件，由于其為MOSFET與BJT的結合，因此在技術發展上，MOSFET的相關技術改進可以應用到IGBT器件中，例如起源于MOSFET的電荷累積層、以及特定晶面上形成溝道區的技術手段均被應用于IGBT器件中。1998年瑞電ABB技術公司提出專利US6201280A，其將MOSFET功率器件中出現的電荷累積型場效應晶體管（AccuFET）的技術應用于IGBT器件中，在柵絕緣層下方的漂移區中形成電荷累積層，并優化電荷累積層的尺寸與元胞尺寸之間的關系，以此降低了SiC IGBT功率器件的導通電阻，從而使得開關損耗降低。2004年日本富士電機株式會社提出專利JP2005340685A，其SiC IGBT器件包括一溝槽柵，溝槽側壁穿過源區層和基區層，到達漂移層，并且側壁與襯底的主表面呈70°的夾角，使得該側壁相對于4H型SiC的（03–38）晶面或者6H型SiC的（01–14）晶面的角度在10°范圍內。該技術手段源自SiC MOSFET功率器件，并針對6H型SiC材料做了進一步地技術擴展，使得SiC IGBT功率器件的導通電阻降低。

至于SBD器件，其在整個技術發展路線上高引證頻次的重點專利相對較少，這與SiC功率器件領域中相關的專利申請較少有關。值得一提的是，1995年美國北卡羅萊納州立大學提出的專利US5449925A，其在肖特基勢壘二極管的終端區域注入惰性離子并且不進行退火處理，使得終端區域非晶化，該非晶化終端區域在表面產生一高阻薄層，促使電勢沿表面分散分布，導致邊緣電場降低，進而提高了SBD的擊穿電壓。該非晶化處理的技術手段在SIPOABS數據庫中顯示的被引證頻次為91，直至2012年還被現代自動車株式會社提出的專利US8779439B2所引用，可見該專利在SBD器件中具有一定的重要性。

4? 小結

通過本文對數據的整理及分析可知，SiC功率器件的發展受限于SiC單晶襯底材料的發展。隨著SiC材料制備技術的發展，SiC功率器件整體技術發展前景較好，尤其是隨著我國自主研制的SiC單晶襯底產品的面世，在我國國內SiC功率器件的研究熱潮仍然會持續較長一段時間，這將會促使全球范圍內SiC功率器件領域專利申請量的上升。但是，我國在SiC功率器件領域起步較晚，國內與國外在SiC功率器件領域的技術發展水平仍然存在一定的差距，并且國外重要申請人均已早早地在我國做了相關的專利布局，并且相應專利都處于有效狀態，因此我國企業在SiC功率器件領域的發展將會面臨較大的競爭壓力。另一方面，我國國內在SiC功率器件領域的研發工作主要集中在高校及科研院所，但是他們的一些高質量專利未能得到有效的利用，因此，高校可以加強與國內企業的合作，必要時可以進行專利權的轉讓或是許可，促使相關研究工作的持續開展，充分發揮高校及科研院所的科研優勢以及企業的工業生產優勢。

從全球范圍來看，日本和美國在SiC功率器件領域占據了技術創新的主導地位，該領域中的重要申請人基本上都位于這兩個國家，例如美國的克里公司，日本的富士電機、三菱電機等，并且這些國外申請人也都非常重視在中國的專利布局。相比之下，我國企業在SiC功率器件領域的專利布局較少，海外的專利布局微乎其微，并且在領域中也缺乏在國際上具有競爭力的企業，因此，我國企業需要加強研發的投入，積極尋求技術上的突破，同時要注重海外的專利布局和專利侵權風險的防范，以增加自身在國際市場上的競爭力。

從技術發展上來看，SiC功率器件領域中針對有源區的改進仍然是技術發展的重點，但是在這一方面國外企業已經做了大量的專利布局，尤其是一些技術實力雄厚的跨國企業，例如美國的克里公司。對于我國企業來講，如果受限于自身的研發水平，在SiC功率器件有源區的改進上無法獲得技術突破的話，可以針對電極、終端區、絕緣層以及工藝進行相關的外圍專利布局，因為國外企業在這些方面的專利布局相對較弱，技術發展空間相對較大，在這些方面的研發投入相對容易獲得技術上的突破。在電極、終端區等方面的專利布局，一定程度上也可以提升自身的市場競爭力。但是鑒于對有源區的改進所能獲得的技術效果最多，因此仍然不能忽視針對SiC功率器件的有源區進行相應的技術研發和專利布局，在這一方面，國內企業可以積極尋求與高校及科研院所的戰略合作。

參考文獻

[1]Frank J.Barto，辛磊夫.碳化硅半導體[J]. 軟件， 2007（2）： 26-29.

[2]HAFOM. 碳化硅半導體SiC在功率器件領域的應用[J]. 集成電路應用， 2016（02）： 34-37.

[3]漆宇， 李彥涌. SiC功率器件應用現狀及發展趨勢[J]. 大功率變流技術， 2016（05）： 1-6.

[4]趙正平. SiC新一代電力電子器件的進展[J]. 半導體技術， 2013（2）： 81-88.

[5]盛況， 任娜. 碳化硅功率器件技術綜述與展望[J]. 中國電機工程學報， 2020， 40（6）： 1741-1752.

[6]李許軍， 堅葆林. 高壓SiC功率半導體器件的發展現狀與挑戰[J]. 集成電路應用， 2020， 37（02）： 30-33.

[7]何鈞， 吳海雷. 美國市場碳化硅功率器件技術相關專利趨勢[J]. 新材料產業， 2016（01）： 21-24.

[8]何鈞， 龍翔. 國際碳化硅功率器件專利布局對我國新材料產業的啟示[J]. 新材料產業， 2016（04）： 40-43.