SiC功率器件专利布局的研究与分析

徐国亮 卢振宇

摘  要： 近年来，作为第三代半导体器件代表的SiC功率器件的技术发展引人注目。通过对SiC功率器件的分类与研发热点的介绍，同时对于SiC功率器件在全球和在华的专利布局趋势、主要申请主体以及重点专利技术发展路线的研究与分析，让国内企业了解行业竞争态势，作为未来发展方向的情报资源。

关键词： 碳化硅;功率器件;专利布局;发展路线

中图分类号： TN304    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.041

本文著录格式：徐国亮，卢振宇. SiC功率器件专利布局的研究与分析[J]. 软件，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

随着半导体材料及器件工艺技术的进步，传统硅基半导体器件的制造工艺和性能表征已经趋于极限，对于需要耐高温高压的功率器件而言，现有的硅基器件都无法在200℃以上的环境中正常工艺。在这种情况下，以碳化硅[1]（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料继第一代Si/Ge基和第二代化合物半导体材料后开始快速发展。SiC作为第3代半导体的杰出代表之一，相比前两代半导体材料，具有宽带隙、高熱导率、较大的电子饱和漂移速率、高化学稳定性、高击穿电场等诸多优点，因此能够很好地解决了硅基半导体功率器件所面临的技术问题;同时相比于GaN对于衬底材料的苛刻要求，SiC更易于外延制造高质量的晶体，具有更高的热导率并能够在高温和辐射环境下工作。因此，SiC基半导体功率器件获得了广泛的应用[2-5]。

1  SiC功率器件

以下主要从器件分类和研发热点两方面介绍SiC功率器件。

1.1  器件分类

SiC功率器件总体上可以分为三大类：功率整流器、单极性功率器件以及双极性功率器件。

1.1.1  功率整流器

SiC功率整流器进一步包括SiC肖特基势垒二极管（SBD）、PiN/PN结二极管以及结势垒肖特基（JBS）二极管三类：（1）SiC SBD具有近乎理想的动态性能，不存在电荷存储效应，开关速度更快，工作频率更高，是半导体功率器件中重要的高频整流器件之一，其也是最早商业化的半导体功率器件，已经得到广泛应用。第一只SiC SBD诞生于1992年，其击穿电压为400 V。（2）SiC基PiN/PN结二极管是广泛采用的高压功率整流器之一，其在击穿电压3 kV以上时具有明显优势，其临界击穿场强为Si的10倍，由此得到较低正向导通损耗和较快开关速度。（3）JBS二极管不但具有SBD开启电压小、开关速度快的优点，而且具备PiN/PN结二极管的低漏电流、高击穿电压的优势，但是工艺要更复杂。

1.1.2  单极性功率器件

SiC单极性功率器件主要包括金属-氧化物（绝缘层）-半导体场效应晶体管（MOSFET或MISFET）、金属-半导体场效应晶体管（MESFET）及结型场效应晶体管（JFET）：（1）SiC 功率MOSFET/MISFET相比于Si功率MOSFET/MISFET器件，具有导通电阻低、开关速度高、高稳定性及高温工作能力等优点。SiC功率MOSFET/MISFET存在的主要问题是栅氧化层/栅介质层的长期可靠性及沟道电阻的问题。对于SiC功率MOSFET/MISFET，沟道电阻是影响导通电阻的主要因素，因此改善栅绝缘层与SiC半导体之间的界面特性是提高载流子迁移率、降低导通电阻的重要途径。（2）SiC功率MESFET的工作过程与MOSFET/ MISFET类似，都是通过控制栅极电压来实现导电通路的开关，不同之处在于MESFET采用肖特基结栅来控制多子导电，并且其制造工艺相对简单，具有线性化程度高，匹配简单等许多应用方面的优势。（3）SiC JFET作为一种结型场效应晶体管，其输出特性类似于MOSFET/MISFET，并且没有栅氧化层/栅介质层带来的低迁移率和可靠性等问题，能工作于高电流增益和高温环境下。其次，JFET的器件结构相对简单，制备工艺比较完善，是目前SiC器件中应用最广泛的电压控制型器件。

1.1.3  双极性功率器件

SiC双极性功率器件主要包括双极性结型晶体管（BJT）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）：（1）SiC BJT功率器件相对于Si基BJT功率器件最大的优势之一在于其二次击穿现象得到缓解，因为SiC BJT功率器件的二次击穿的临界电流密度大约是Si的100倍。同时由于SiC临界击穿电场大，SiC BJT的基极和集电极可以很薄，从而提高了器件的电流增益和开关速度。SiC基BJT与MOSFET器件相比，其驱动电路较为复杂，但是和JFET器件相比，其制作工艺更简单。（2）SiC IGBT功率器件基于电导调制效应，可以实现高击穿电压、大电流、低导通电阻等特性，并且作为电压控制型器件，与SiC栅控晶闸管相比，可以工作在更高的频率。因此，当击穿电压超过15 kV时，SiC IGBT功率器件因为电导调制效应而能够实现较低的导通电阻，这是IGBT功率器件相对于MOSFET功率器件的优势。

2.2  申请主体分析

表1示出了SiC功率器件领域中全球申请主体前十位的排名情况。从表中可以看到，前10名申请主体中，日本申请主体由住友、三菱、电装、富士、NIIT、日立占据6席且包揽前4名，美国老牌龙头克里排名第5，德国的英飞凌占据第10位，来自中国的两所高校电子科技大学和西安电子科技大学也展现了在SiC功率器件领域的深厚底蕴，进入到全球申请人占据第7、第8位。日本显示出其在半导体器件领域的卓越实力，目前可以说引领着SiC功率器件的技术发展，美国的LED照明龙头企业克里（又称科锐）在GaN基和SiC基发光器件领域深耕多年，在SiC功率器件领域也具备深厚实力;出身自西门子半导体部门的英飞凌在该领域代表着欧洲的最强技术。从表1中示意的3年/5年活跃度数据显示，虽然住友、三菱、电装凭借雄厚的基础实力排名前三，但从其近年来在SiC方向上的专利申请活跃度来看，显示其在SiC功率器件领域的研发投入在逐渐降温，这一结果与与图1全球专利申请趋势在2014-2016年呈现低谷状态是一致的。

另外，表2示出了在华申请主体的排名情况，与全球申请主体排名相比，一个显著的变化是其中多了两个来自中国的申请主体，分别占据第8位的中国中车和占据第10位的北京世纪金光，其中中国中车自2011年与中科院微电子所成立联合研发中心，成为覆盖SiC衬底、外延、器件、模组的全产业链IDM企业;而北京世纪金光更是成立与2010年的新锐，近年来发展势头迅猛。通过3年/5年活跃度指标显示，在华排名前10的申请主体中，电子科技大学和北京世纪金光在SiC功率器件方向上的专利布局尤为积极，同时也注意到，美国龙头企业Cree近年来在华的专利布局几乎为0，但仍然凭借其在SiC晶圆方面的垄断实力占有国内40%的SiC晶圆市场。

由前述分析可知，SiC功率器件的全球专利申请主要集中在日本和美国。为了进一步定量化分析SiC功率器件领域的整体技术垄断趋势，图2示出了SiC功率器件领域申请人集中度的变化趋势。可以看到，1984～1993年，前十位申请人成长迅速，申请人集中度指数（全球和3/5局专利申请比例，3/5局专利申请指的是在美日欧中韩5个局中的3个及以上的局中递交的专利申请项。）不断攀升，这主要是因为20世纪70年代后期，SiC单晶材料的制备具有了实质性地进展，SiC功率器件逐渐成为全球的研究热点，但由于SiC单晶材料制备的难度大，全球的SiC衬底晶圆也只能供应少数企业进行器件的研究和开发，因此这期间SiC功率器件领域申请人集中度指数不断上升。从1994年开始，前十位申请人全球专利申请比例基本保持稳定，但稳中有上升，一直持续到2013年，在这期间，前十位申请人3/5局专利申请比例在1999～2003年间出现一个小幅下降之后，一路攀升至超过60%。这一变化趋势一方面是由于SiC单晶材料制备工艺的进步使得全球的SiC衬底晶圆的供应量增加，越来越多的企业参与到SiC功率器件行业中，导致在全球范围内申请人的集中度保持相对稳定;另一方面则是由于中国自20世纪90年中后期开始扶持发展SiC材料的制备技术以及SiC功率器件技术，诸如北京世纪金光、中车、泰科天润等中国申请人的增加使得海外申请人在中国大陆的专利布局收到挤压，也正是因为中国申请人的增加，尤其是2014年～2018年间，中国申请人出现激增，这很大程度上降低了全球申请人集中度，使得2014～2018年间申请人集中度指数呈现下降趋势，而中国申请人主要集中在本国申请，海外申请很少，这也进一步降低了前十位申请人3/5局专利申请的比例。

可见，在全球范围内，SiC功率器件领域的产业垄断程度相对较低，申请人集中度指数基本保持在50%以下，但是全球范围内SiC功率器件的市场竞争则会更加激烈。此外，SiC功率器件领域中国申请人的进入，打破了全球申请人集中度持续上升的趋势。然而，由于目前SiC功率器件的技术发展已经开始进入了成熟期，在未来一段时间内，申请人集中度有可能出现再次上升的趋势，因此，中国申请人急需技术上的研发投入以打破国外申请人的技术壁垒。

3  中外企业重点专利技术发展路线

本小节主要对SiC功率器件领域主要申请主体的专利技术进行比较分析，通过被引频次大于30筛选出重点专利，并分析其技术改进方向，从而形成时间线下的SiC功率器件重点技术发展路线，为国内企业的发展提供参考资讯。

针对上述筛选出的重点专利，并结合相互间的引证关系，对其技术发展路线进行分析，如图3所示。从图中所示的引证关系可以看到，不同种器件类型相互之间存在关联，例如BJT中的一项技术改进可以为MOSFET或JFET所用，而MOSFET中的一项技术改进同样也可以为JFET或IGBT的技术发展提供基础。图中标注五角星的专利被后续多篇专利所引用，反映出这些专利的重要性。

从技术的时间发展来看，场控功率器件（包括MOSFET和JFET）在各个时期均是SiC功率器件领域重点发展的器件类型，早期的发展侧重在终端、栅极结构及有源区结构的发展，这与一般Si功率器件发展的侧重点基本相同。例如，1992年美国北卡罗莱纳州立大学提出US5233215A专利，其终端区域形成终端沟槽，沟槽中共形地沉积绝缘衬层并填充多晶硅以形成浮空场环，这样的结构避免采用耗时的高温扩散工艺来形成浮空场环。由于SiC材料中杂质的扩散系数比在Si中要小很多，因此对于SiC功率器件而言，这样的结构能够极大地改善工艺，简化SiC功率器件的制备过程。同一年，美国克里公司提出US5506421A专利，其采用UMOS或VMOS结构，并且在形成栅极绝缘层的过程中，首先在栅极沟槽中沉积一薄层多晶硅作为牺牲层，然后将该多晶硅牺牲层进行热氧化形成SiO2。由于硅氧化速率比SiC快，但是热氧化所需温度比SiC低，因此可以在较低的温度下对牺牲多晶硅进行热氧化，形成的热氧化膜均匀、质量好，并且其覆盖的SiC基本上不被氧化消耗，因此形成的热氧化膜中不含有氧化SiC所产生的COx副产物，可以获得界面态少的SiO2/SiC界面。在SiC功率器件中，SiO2/SiC界面的界面态是影响电子迁移率的重要因素，降低该界面态将能够提高载流子迁移率，因此该专利通过对栅绝缘层的改进降低了SiC功率器件的导通电阻。1998年美国北卡罗莱纳州立大学提出US6023078专利，其有源区位于电压支持区的两侧，电压支持区中包括多個间隔开的电绝缘区域，两侧的有源区均为电荷累积型场效应晶体管（AccuFET），这种创新型的有源区结构设计，一方面能够降低导通压降，也即降低了导通电阻，另一方面实现双向驱动能力，并且电压支持区保证了高耐压特性。

2000年之后，MOSFET中出现利用SiC特定材料性质的技术改进，即载流子沿着特定晶面流动具有较大的迁移率，因此通过选择特定晶向的SiC衬底并采用特定的刻蚀方法，可以形成具有特定晶向的沟道平面，如此形成的SiC功率器件具有较大的载流子迁移率。例如，2001年日本关西电力株式会社提出专利JP2002261275A，其栅绝缘膜位于4H型SiC的{03–38}晶面上，其相对于{03–38}晶面的偏离角范围在10°以内，相比于传统的SiC功率器件所采用的{0001}晶面，{03–38}晶面上的载流子具有更大的迁移率，高达100 –120 cm2/Vs，因此，沟槽层位于{03–38}晶面上的SiC MOSFET功率器件在导通电阻、驱动电流方面均具有极大的优势。受该专利的启发，2011年日本国立大学奈良研究所提出专利WO2012026089A，其栅绝缘膜位于SiC相对于{11–20}晶面具有偏向{000–1}晶面约10～20°范围的晶面上，在该晶面上其电子迁移率相对较高，并且界面态密度也进一步降低，因此可以进一步提高电子迁移率，最终器件的载流子迁移率可以达到90 cm2/Vs甚至更高，进而也能够降低SiC功率器件的导通电阻并增大驱动电流。

值得一提的是，早在1987年BJT中出现的台面有源区结构（1987年美国北卡罗莱纳州立大学提出的专利US4945394A）在后续的发展中被应用于JFET中，并且成为JFET中的常规结构。例如，1991年美国克里公司提供专利US5264713A，其有源区为台面结构，结型栅形成在两台面结构之间的沟槽中，通过控制两台面间沟槽的宽度来实现对JFET中沟道长度的控制，进而弱化SiC低电子迁移率对JFET器件性能的影响。2008年美国半南实验实公司提出专利US7977713，其有源区也为台面结构，结型栅形成在台面结构两侧的凹槽中，并且该台面结构第一部分具有第一平均掺杂浓度，其低于台面结构第二部分的第二平均掺杂浓度，这样的结构能够降低SiC JFET功率器件的导通电阻，并且提高器件的击穿电压。在SiC BJT功率器件中，还存在一种创新性的异质结栅结构，其出现在1996年美国北卡罗莱纳州立大学提出的专利US5753938A中，其为一种异质结栅静电感应晶体管（属于BJT中的一种），结型栅形成在有源区两侧的凹槽内，由P型掺杂的多晶硅填充构成异质结栅，其中有源区为N型掺杂的6H型SiC。这种异质结栅结构提高P型多晶硅中空穴的势垒，进而极大地降低注入至漂移区的空穴，因此，漂移区中的存储电荷减少，能够改善SiC JFET功率器件的开关速度，进而在高频应用上具有明显的優势。

对于IGBT器件，由于其为MOSFET与BJT的结合，因此在技术发展上，MOSFET的相关技术改进可以应用到IGBT器件中，例如起源于MOSFET的电荷累积层、以及特定晶面上形成沟道区的技术手段均被应用于IGBT器件中。1998年瑞电ABB技术公司提出专利US6201280A，其将MOSFET功率器件中出现的电荷累积型场效应晶体管（AccuFET）的技术应用于IGBT器件中，在栅绝缘层下方的漂移区中形成电荷累积层，并优化电荷累积层的尺寸与元胞尺寸之间的关系，以此降低了SiC IGBT功率器件的导通电阻，从而使得开关损耗降低。2004年日本富士电机株式会社提出专利JP2005340685A，其SiC IGBT器件包括一沟槽栅，沟槽侧壁穿过源区层和基区层，到达漂移层，并且侧壁与衬底的主表面呈70°的夹角，使得该侧壁相对于4H型SiC的（03–38）晶面或者6H型SiC的（01–14）晶面的角度在10°范围内。该技术手段源自SiC MOSFET功率器件，并针对6H型SiC材料做了进一步地技术扩展，使得SiC IGBT功率器件的导通电阻降低。

至于SBD器件，其在整个技术发展路线上高引证频次的重点专利相对较少，这与SiC功率器件领域中相关的专利申请较少有关。值得一提的是，1995年美国北卡罗莱纳州立大学提出的专利US5449925A，其在肖特基势垒二极管的终端区域注入惰性离子并且不进行退火处理，使得终端区域非晶化，该非晶化终端区域在表面产生一高阻薄层，促使电势沿表面分散分布，导致边缘电场降低，进而提高了SBD的击穿电压。该非晶化处理的技术手段在SIPOABS数据库中显示的被引证频次为91，直至2012年还被现代自动车株式会社提出的专利US8779439B2所引用，可见该专利在SBD器件中具有一定的重要性。

4  小结

通过本文对数据的整理及分析可知，SiC功率器件的发展受限于SiC单晶衬底材料的发展。随着SiC材料制备技术的发展，SiC功率器件整体技术发展前景较好，尤其是随着我国自主研制的SiC单晶衬底产品的面世，在我国国内SiC功率器件的研究热潮仍然会持续较长一段时间，这将会促使全球范围内SiC功率器件领域专利申请量的上升。但是，我国在SiC功率器件领域起步较晚，国内与国外在SiC功率器件领域的技术发展水平仍然存在一定的差距，并且国外重要申请人均已早早地在我国做了相关的专利布局，并且相应专利都处于有效状态，因此我国企业在SiC功率器件领域的发展将会面临较大的竞争压力。另一方面，我国国内在SiC功率器件领域的研发工作主要集中在高校及科研院所，但是他们的一些高质量专利未能得到有效的利用，因此，高校可以加强与国内企业的合作，必要时可以进行专利权的转让或是许可，促使相关研究工作的持续开展，充分发挥高校及科研院所的科研优势以及企业的工业生产优势。

从全球范围来看，日本和美国在SiC功率器件领域占据了技术创新的主导地位，该领域中的重要申请人基本上都位于这两个国家，例如美国的克里公司，日本的富士电机、三菱电机等，并且这些国外申请人也都非常重视在中国的专利布局。相比之下，我国企业在SiC功率器件领域的专利布局较少，海外的专利布局微乎其微，并且在领域中也缺乏在国际上具有竞争力的企业，因此，我国企业需要加强研发的投入，积极寻求技术上的突破，同时要注重海外的专利布局和专利侵权风险的防范，以增加自身在国际市场上的竞争力。

从技术发展上来看，SiC功率器件领域中针对有源区的改进仍然是技术发展的重点，但是在这一方面国外企业已经做了大量的专利布局，尤其是一些技术实力雄厚的跨国企业，例如美国的克里公司。对于我国企业来讲，如果受限于自身的研发水平，在SiC功率器件有源区的改进上无法获得技术突破的话，可以针对电极、终端区、绝缘层以及工艺进行相关的外围专利布局，因为国外企业在这些方面的专利布局相对较弱，技术发展空间相对较大，在这些方面的研发投入相对容易获得技术上的突破。在电极、终端区等方面的专利布局，一定程度上也可以提升自身的市场竞争力。但是鉴于对有源区的改进所能获得的技术效果最多，因此仍然不能忽视针对SiC功率器件的有源区进行相应的技术研发和专利布局，在这一方面，国内企业可以积极寻求与高校及科研院所的战略合作。

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