超結(jié)領(lǐng)域的全球?qū)＠夹g(shù)分析

王 琳 周天微

超結(jié)領(lǐng)域的全球?qū)＠夹g(shù)分析

王 琳 周天微

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304）

超結(jié)結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)功率MOS器件的理論極限，被譽(yù)為功率MOS器件的里程碑器件。本文對(duì)超結(jié)領(lǐng)域全球的相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)行分析，從申請(qǐng)趨勢(shì)、區(qū)域分布、主要申請(qǐng)人等多個(gè)角度進(jìn)行深入挖掘，梳理超結(jié)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

超結(jié)；專利分析；技術(shù)生命周期

Abstract:Superjunction break through the theoretic limit of the traditional power MOSFET as a new milestone.This article analyzes the patent applications related to superjunction,and researches from different aspects,such as the trend in patent technique development,patent area distribution and applicants distribution,thus to understand the current situation and development direction of superjunction.

Key words:superjunction;patent analysis;technology lifecycle

功率MOSFET主要用作開關(guān)器件,其開關(guān)功耗相對(duì)較小，通態(tài)功耗比較高,而要降低通態(tài)功耗,需要減小導(dǎo)通電阻。因此,功率MOS的發(fā)展方向就是高耐壓、低導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速度。但是,擊穿電壓和導(dǎo)通電阻始終是一對(duì)矛盾。傳統(tǒng)理論器件的導(dǎo)通電阻受擊穿電壓的限制存在一個(gè)極限,即“硅極限”，到了20世紀(jì)90年代初，功率MOS器件技術(shù)已發(fā)展到一個(gè)瓶頸。

1984年,飛利浦公司第一次提出在橫向高壓MOSFET中采用交替排列的PN結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)功率器件中的低摻雜漂移層作為電壓支持層；1991年,電子科技大學(xué)的陳星弼教授提出在縱向功率器件中用多個(gè)PN結(jié)構(gòu)作為漂移層的思想,并把這種結(jié)構(gòu)稱為“復(fù)合緩沖層”；1997年,Tatsuhiko等人對(duì)這一思想進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，提出了“超結(jié)理論”[1]。

超結(jié)結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)功率MOS器件的理論極限，被譽(yù)為功率MOS器件的里程碑器件[2]。超結(jié)器件采用交替的PN結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)低摻雜的漂移層作為電壓維持層，其本質(zhì)是利用在漂移區(qū)中插入P區(qū)（N溝道器件）所產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)N區(qū)進(jìn)行電荷補(bǔ)償，以提高擊穿電壓并降低擊穿電阻[3]。

截至2017年5月1日，在德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）中檢索得到超結(jié)的全球?qū)＠暾?qǐng)共計(jì)1 390項(xiàng)，以此作為本文專利分析的數(shù)據(jù)樣本。

1 全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

1998年以前，超結(jié)的申請(qǐng)量非常少，尚處于萌芽狀態(tài)，很多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)尚未對(duì)這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生足夠的關(guān)注；1999-2009年，專利申請(qǐng)量緩慢波動(dòng)增長(zhǎng)；2009年以后，專利申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，2012年最高年申請(qǐng)量達(dá)到212項(xiàng)，之后雖然略有下降，但仍然保持較高的申請(qǐng)量，說明隨著超結(jié)技術(shù)的發(fā)展，超結(jié)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)開始吸引越來越多的業(yè)界目光。

圖1 全球?qū)＠夹g(shù)生命周期

2 專利技術(shù)生命周期

專利技術(shù)生命周期是指在專利技術(shù)發(fā)展的不同階段中，專利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)量的一般性的周期性規(guī)律。理論上一般存在4個(gè)階段：萌芽期，發(fā)展期、成熟期和衰退期。從圖中可以看出，1998年之前為專利技術(shù)萌芽期，專利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)量較少，這些專利大多數(shù)是基礎(chǔ)專利，由于技術(shù)市場(chǎng)還不明確，只有少數(shù)企業(yè)參與技術(shù)研究和市場(chǎng)開發(fā)；1999年到2009年為緩慢發(fā)展期，專利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)量均緩慢增加，期間可能存在一些思想和技術(shù)的沖突；2009年到2012年為快速增長(zhǎng)期，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)擴(kuò)大，介入的企業(yè)增多，專利申請(qǐng)量和專利申請(qǐng)人激增；2013年到2015年，專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)速度緩慢，申請(qǐng)人數(shù)量有所波動(dòng)，但申請(qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)量維持在較高水平，說明該時(shí)期的超結(jié)技術(shù)功能發(fā)展成熟，該領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)企業(yè)可能對(duì)當(dāng)前技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以提高性能。

圖2 來源國(guó)及目標(biāo)國(guó)/區(qū)域比例圖

3 專利申請(qǐng)區(qū)域分布

圖2為來源國(guó)及目標(biāo)國(guó)/區(qū)域比例圖。從左圖中可以看出，中國(guó)、日本在超結(jié)領(lǐng)域的專利產(chǎn)出量較高，分別占據(jù)總申請(qǐng)量的46%和22%，說明兩國(guó)在超結(jié)領(lǐng)域的研發(fā)投入力度非常大。1991年，中國(guó)電子科技大學(xué)的陳星弼院士提出超結(jié)，但隨后幾年申請(qǐng)量一直不多，直到2009年，國(guó)內(nèi)與超結(jié)VDMOS的制造工藝相關(guān)的發(fā)明專利申請(qǐng)量明顯增多。日本擁有東芝、富士電機(jī)等公司，美國(guó)擁有萬國(guó)半導(dǎo)體、威世、飛兆半導(dǎo)體等公司，在超結(jié)領(lǐng)域都擁有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。英飛凌公司作為國(guó)外申請(qǐng)人的領(lǐng)軍人物，在超結(jié)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的控制力。

從右圖中可以看出，專利申請(qǐng)目標(biāo)市場(chǎng)排名前三位的是中國(guó)、美國(guó)和日本。中國(guó)作為目標(biāo)市場(chǎng)的第一位，說明各國(guó)均很重視中國(guó)市場(chǎng)。美國(guó)和日本同樣也是各國(guó)關(guān)注的市場(chǎng)，這與其在超結(jié)領(lǐng)域的國(guó)際地位也是密不可分的。

4 全球申請(qǐng)人排名

圖3 全球主要申請(qǐng)人的專利布局

從申請(qǐng)人國(guó)別構(gòu)成來看，中國(guó)申請(qǐng)人有7家，占47%，包括4家公司、2所大學(xué)和1家個(gè)人申請(qǐng)；總的來看，中國(guó)申請(qǐng)人占有很大比例，這說明中國(guó)的企業(yè)和大學(xué)均意識(shí)到了超結(jié)技術(shù)的潛在市場(chǎng)價(jià)值，對(duì)超結(jié)技術(shù)的研究投入了較多關(guān)注。從國(guó)外申請(qǐng)人的構(gòu)成來看，有3家美國(guó)公司，4家日本公司，1家奧地利公司，說明美日企業(yè)在超結(jié)領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)和控制力。從申請(qǐng)量來看，該領(lǐng)域申請(qǐng)量最多的是中國(guó)的華虹宏力公司，為164項(xiàng)，自2009年加入到超結(jié)的研發(fā)之中，隨后申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)；排名第二的是奧地利的英飛凌公司，在初期就已經(jīng)投入到超結(jié)的研發(fā)之中，并一直致力于超結(jié)器件和工藝的改進(jìn)，掌握多項(xiàng)核心技術(shù)；排名第三、第四的是日本的東芝和富士電機(jī)。

5 全球主要申請(qǐng)人的專利布局

從圖中可以看出，中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)和日本仍然是主要布局國(guó)家。大部分公司優(yōu)先布局本土，尤其是中國(guó)公司和大學(xué)，幾乎所有申請(qǐng)都在國(guó)內(nèi)，缺乏對(duì)海外市場(chǎng)的專利布局。日本公司專利布局的重要市場(chǎng)是美國(guó)和中國(guó)，顯示了日本公司對(duì)美國(guó)和中國(guó)市場(chǎng)的重視；英飛凌公司布局集中在德國(guó)、中國(guó)和美國(guó)，在日本布局較少。

6 結(jié)語

本文對(duì)超結(jié)領(lǐng)域的專利分析，發(fā)現(xiàn)超結(jié)全球?qū)＠暾?qǐng)量持續(xù)增長(zhǎng)，中國(guó)初期申請(qǐng)量較少，但后續(xù)對(duì)超結(jié)技術(shù)的研發(fā)高度重視，投入較大，在保持追趕的同時(shí)縮小了和國(guó)外的差距，總申請(qǐng)量排名全球第一；中國(guó)申請(qǐng)人以企業(yè)和大學(xué)為主，研究力量較強(qiáng)，同時(shí)美日企業(yè)在超結(jié)領(lǐng)域也擁有巨大的優(yōu)勢(shì)和控制力；且超結(jié)技術(shù)專利布局特點(diǎn)鮮明，中、美、日三國(guó)為各方專利布局的主要區(qū)域。

[1]Fujihira T.Theory of semiconductor superjunction devices[J].Jpn JAppl Phys，1997，36:6254–6262.

[2]陳星弼.超結(jié)器件電力電子技術(shù)[J]，電力電子技術(shù)，2008，42(12):2-7.

[3]張波.功率超結(jié)器件的理論與優(yōu)化[J].中國(guó)科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2016，46(10):107302-1：107302-18.

Patent Application Situation Analysis in Superjunction

Wang Lin Zhou Tianwei
(Patent Examination Cooperation Tianjin Center of The Patent Office,SIPO,Tianjin,300304,China)

O471

A

1003-5168(2017)08-0049-03

2017-5-23

王琳（1983-），男，本科，五級(jí)審查員，研究方向：半導(dǎo)體；周天微（1986—），女，博士，研究方向:半導(dǎo)體（等同于第一作者）。