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(dǎo)體器件代表的SiC功率器件的技術(shù)發(fā)展引人注目。通過對SiC功率器件的分類與研發(fā)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(shù)發(fā)展路線的研究與分析，讓國內(nèi)企業(yè)了解行業(yè)競爭態(tài)勢，作為未來發(fā)展方向的情報資源。

關(guān)鍵詞： 碳化硅;功率器件;專利布局;發(fā)展路線

中圖分類號： TN304 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ???DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.041

【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(dǎo)體材料及器件工藝技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件的制造工藝和性能表征已經(jīng)趨于極限，對于需要耐高溫高壓的功率器件而言，現(xiàn)有的硅基器件都無法在200℃以上的環(huán)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(dǎo)體材料繼第一代Si/Ge基和第二代化合物半導(dǎo)體材料后開始快速發(fā)展。SiC作為第3代半導(dǎo)體的杰出代表之一，相比前兩代半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、較大的電子飽和漂移速率、高化學(xué)穩(wěn)定性、高擊穿電場等諸多優(yōu)點，因此能夠很好地解決了硅基半導(dǎo)體功率器件所面臨的技術(shù)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(zhì)量的晶體，具有更高的熱導(dǎo)率并能夠在高溫和輻射環(huán)境下工作。因此，SiC基半導(dǎo)體功率器件獲得了廣泛的應(yīng)用[2-5]。

1 ?SiC功率器件

以下主要從器件分類和研發(fā)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(jìn)一步包括SiC肖特基勢壘二極管（SBD）、PiN/PN結(jié)二極管以及結(jié)勢壘肖特基（JBS）二極管三類：（1）SiC SBD具有近乎理想的動態(tài)性能，不存在電荷存儲效應(yīng)，開關(guān)速度更快，工作頻率更高，是半導(dǎo)體功率器件中重要的高頻整流器件之一，其也是最早商業(yè)化的半導(dǎo)體功率器件，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)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(jié)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(yōu)勢，其臨界擊穿場強為Si的10倍，由此得到較低正向?qū)〒p耗和較快開關(guān)速度。（3）JBS二極管不但具有SBD開啟電壓小、開關(guān)速度快的優(yōu)點，而且具備PiN/PN結(jié)二極管的低漏電流、高擊穿電壓的優(yōu)勢，但是工藝要更復(fù)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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET或MISFET）、金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）及結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）：（1）SiC 功率MOSFET/MISFET相比于Si功率MOSFET/MISFET器件，具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度高、高穩(wěn)定性及高溫工作能力等優(yōu)點。SiC功率MOSFET/MISFET存在的主要問題是柵氧化層/柵介質(zhì)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(dǎo)通電阻的主要因素，因此改善柵絕緣層與SiC半導(dǎo)體之間的界面特性是提高載流子遷移率、降低導(dǎo)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(xiàn)導(dǎo)電通路的開關(guān)，不同之處在于MESFET采用肖特基結(jié)柵來控制多子導(dǎo)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(yīng)用方面的優(yōu)勢。（3）SiC JFET作為一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管，其輸出特性類似于MOSFET/MISFET，并且沒有柵氧化層/柵介質(zhì)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(huán)境下。其次，JFET的器件結(jié)構(gòu)相對簡單，制備工藝比較完善，是目前SiC器件中應(yīng)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(jié)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(yōu)勢之一在于其二次擊穿現(xiàn)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(guān)速度。SiC基BJT與MOSFET器件相比，其驅(qū)動電路較為復(fù)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(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，可以實現(xiàn)高擊穿電壓、大電流、低導(dǎo)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(dāng)擊穿電壓超過15 kV時，SiC IGBT功率器件因為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)而能夠?qū)崿F(xiàn)較低的導(dǎo)通電阻，這是IGBT功率器件相對于MOSFET功率器件的優(yōu)勢。

1.2 ?SiC功率器件的研發(fā)熱點

盡管SiC功率器件相比于Si基功率器件存在很多優(yōu)勢，但是欲實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高擊穿電壓、高可靠性的SiC功率器件，還存在一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)[6]，主要表現(xiàn)在以下四個方面：

1.2.1 ?歐姆接觸

SiC功率器件制備過程中，形成低導(dǎo)通電阻、高熱穩(wěn)定性的歐姆接觸是一項重要的指標(biāo)，因為歐姆接觸的好壞直接影響器件的性能，例如功耗、增益等。由于4H-SiC禁帶寬度很大，很難找到形成較低勢壘差的金屬，其次擴散系數(shù)較低，有效載流子濃度低，大大減小了隧穿幾率，且制備過程一般伴隨高溫退火，溫度高達(dá)1000℃，使得金屬電極出現(xiàn)粗糙斑痕、缺陷，影響器件性能。其次，器件導(dǎo)通電阻隨工作溫度出現(xiàn)一定退化，耐高溫的金屬體系選擇對器件高溫下可靠性有重要的影響。目前，SiC材料主要靠重?fù)诫s（一般高于1018 cm–3）及選取合適的金屬體系，高溫退火形成歐姆接觸。在形成歐姆接觸的過程中，p型歐姆接觸更是其中的難點。

1.2.2 ?有源區(qū)摻雜

有源區(qū)摻雜是制備SiC功率器件中非常重要的工藝。由于Si-C鍵的結(jié)合能很高，因此雜質(zhì)在SiC中很難擴散，相應(yīng)的擴散溫度高大1800℃，這已經(jīng)遠(yuǎn)超過SiC材料所能承受的溫度極限。因此，SiC器件的摻雜過程通常采用高溫離子注入和外延原位摻雜。外延原位摻雜可以實現(xiàn)一定厚度在大范圍內(nèi)精確摻雜，而離子注入可有效控制注入深度和摻雜范圍，利于實現(xiàn)對特定區(qū)域的選擇摻雜。目前，SiC離子注入主要存在注入離子激活率低、摻雜均勻性差、高溫退火過程中Si原子析出造成表面退化等問題。

1.2.3 ?高溫氧化

能夠通過熱氧化形成SiO2是SiC半導(dǎo)體材料相對于其他寬帶隙半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢，但是由于SiC材料穩(wěn)定性高，其氧化速率比Si慢很多。其次，由于SiC材料在氧化過程中碳原子氧化不充分，導(dǎo)致SiC/SiO2界面處懸掛鍵、C團(tuán)簇及近界面陷阱增加。SiC/SiO2界面處高界面態(tài)密度將使得SiC溝道載流子遷移率降低，閾值電壓漂移，柵氧化層可靠性降低，器件導(dǎo)通能力下降。此外，由于SiC禁帶寬度較大，為使閾值電壓不至于太大，SiC MOSFET的柵氧化層比Si器件要薄很多，但這更易產(chǎn)生漏電流，從而降低柵氧化層的可靠性。因此，柵氧化層質(zhì)量是目前影響SiC MOSFET性能的主要問題。目前降低SiC/SiO2界面處界面態(tài)密度的常用方法是氧化后在NO或N2O氣氛中退火，利用N原子來鈍化SiC/SiO2界面處靠近導(dǎo)帶的淺界面態(tài)。

1.2.4 ?刻蝕

刻蝕是制備SiC功率器件的一個重要步驟，但是由于SiC材料硬度大，化學(xué)穩(wěn)定性強，濕法腐蝕較困難，因此目前SiC主要采用的是干法刻蝕，例如反應(yīng)離子刻蝕（RIE）和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）。受限于掩膜材料及刻蝕條件等影響，SiC刻蝕易出現(xiàn)微溝槽效應(yīng)，微溝槽的出現(xiàn)加劇了電場集中現(xiàn)象，對于SiC槽柵結(jié)構(gòu)器件性能有很大的影響。

2 ?SiC功率器件專利布局

為了研究SiC功率器件專利技術(shù)的發(fā)展情況以及專利申請數(shù)量[7-8]，本文以德溫特數(shù)據(jù)庫DWPI中截止至2020年3月25日已經(jīng)收錄的公開專利數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。以“SiC器件”進(jìn)行主題檢索并且通過國際IPC分類號的大組H01L29/00、H01L27/00、H01L21/00進(jìn)行領(lǐng)域限定，最終獲得全球范圍內(nèi)1790項結(jié)果，其中在中國大陸的發(fā)明專利申請共有689項。以下進(jìn)一步從申請趨勢、申請主體、重點專利技術(shù)發(fā)展路線三方面進(jìn)行SiC功率器件專利布局的研究與分析。

2.1 ?專利申請趨勢分析

本節(jié)中對于有多個同族專利文獻(xiàn)的作為一項申請，以其最早優(yōu)先權(quán)日作為該項申請的申請日。

圖1示出了SiC功率器件在全球和在華的專利申請量趨勢圖。從圖中可以看到，盡管SiC功率器件的全球年申請量振蕩變化，但是總體上呈現(xiàn)上升的趨勢，其大致上可以分為3個階段：（1）從1974年到1989年，SiC功率器件在全球的年申請量不足10件，是SiC功率器件的萌芽期;（2）從1990年到2010年，SiC功率器件的全球申請量整體上呈現(xiàn)線性上升趨勢，年申請量一度接近70件，這一階段是SiC功率器件的發(fā)展期;（3）從2010年之后，SiC功率器件的年申請量急劇增加，盡管申請量在2014年和2015年有所下降，但是整體上仍然維持較高的申請量水平，并于2017年達(dá)到160多件的申請量，這一階段是SiC功率器件的爆發(fā)期，而2018年和2019年的申請量下降，主要是因為專利文獻(xiàn)公開的延后性，在檢索時間這兩年的專利申請尚未完全公開。對比而言，SiC功率器件在中國大陸的起始布局年代較晚，自1997年起才陸續(xù)有少量的專利申請，經(jīng)過一段發(fā)展期后，同樣在2010年前后進(jìn)入快速爆發(fā)的階段，并且一度在全球申請趨勢有所回落的2013-2015年間，在中國大陸繼續(xù)呈現(xiàn)著上升的勢頭。

SiC功率器件的全球申請量趨勢呈現(xiàn)上述三個階段的變化趨勢，主要與SiC材料制備技術(shù)的發(fā)展有關(guān)。上世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)SiC功率器件的專利申請，主要得益于制備SiC材料的改進(jìn)型Lely法被提出。該制備方法能夠獲得單一晶型的SiC材料，使得利用SiC材料制備功率器件得以實現(xiàn)。但是，盡管這種改進(jìn)型Lely法不斷被研究人員改進(jìn)和發(fā)展，但是制備的SiC材料中仍然存在很多缺陷，尤其是微管缺陷，其會增大SiC功率器件的漏電流，使器件易于擊穿，因此微管缺陷限制了SiC功率器件的研究和發(fā)展，因而在萌芽期，SiC功率器件的年申請量一直在個位數(shù)徘徊。SiC功率器件全球?qū)＠暾埰椒€(wěn)期的出現(xiàn)則主要是由于計算機技術(shù)的發(fā)展使得計算機模擬被應(yīng)用到SiC單晶生長過程的研究，從而人們能夠逐步加深對于SiC單晶生長過程的理解，進(jìn)而能夠獲得晶體質(zhì)量更好的SiC材料。SiC材料的發(fā)展帶動了SiC功率器件的穩(wěn)步發(fā)展。然而，在這一時期，SiC材料中的微管缺陷未能得到有效解決，因此總體上年申請量還不大。2007年，美國克里公司研發(fā)出100 mm（即4英寸）零微管缺陷的碳化硅襯底，引領(lǐng)了全球?qū)＠暾堖_(dá)到一個小高峰，繼而克里公司于2010年研發(fā)出150 mm（即6英寸）高晶體質(zhì)量的SiC襯底，其微觀缺陷密度已小于0.05 cm–2，并且開始大量供貨，此后美國的II-VI公司、DowCorning公司等公司也逐步掌握了零微管技術(shù)，因此2010年之后SiC功率器件市場急劇擴大，進(jìn)入了SiC功率器件的爆發(fā)期，相應(yīng)的專利申請量也出現(xiàn)陡增的趨勢，并一直維持在較高的年申請量水平。

2.2 ?申請主體分析

表1示出了SiC功率器件領(lǐng)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(jù)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(jù)第10位，來自中國的兩所高校電子科技大學(xué)和西安電子科技大學(xué)也展現(xiàn)了在SiC功率器件領(lǐng)域的深厚底蘊，進(jìn)入到全球申請人占據(jù)第7、第8位。日本顯示出其在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的卓越實力，目前可以說引領(lǐng)著SiC功率器件的技術(shù)發(fā)展，美國的LED照明龍頭企業(yè)克里（又稱科銳）在GaN基和SiC基發(fā)光器件領(lǐng)域深耕多年，在SiC功率器件領(lǐng)域也具備深厚實力;出身自西門子半導(dǎo)體部門的英飛凌在該領(lǐng)域代表著歐洲的最強技術(shù)。從表1中示意的3年/5年活躍度數(shù)據(jù)顯示，雖然住友、三菱、電裝憑借雄厚的基礎(chǔ)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(lǐng)域的研發(fā)投入在逐漸降溫，這一結(jié)果與與圖1全球?qū)＠暾堏厔菰?014-2016年呈現(xiàn)低谷狀態(tài)是一致的。

2011年與中科院微電子所成立聯(lián)合研發(fā)中心，成為覆蓋SiC襯底、外延、器件、模組的全產(chǎn)業(yè)鏈IDM企業(yè);而北京世紀(jì)金光更是成立與2010年的新銳，近年來發(fā)展勢頭迅猛。通過3年/5年活躍度指標(biāo)顯示，在華排名前10的申請主體中，電子科技大學(xué)和北京世紀(jì)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(yè)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(nèi)40%的SiC晶圓市場。

由前述分析可知，SiC功率器件的全球?qū)＠暾堉饕性谌毡竞兔绹?。為了進(jìn)一步定量化分析SiC功率器件領(lǐng)域的整體技術(shù)壟斷趨勢，圖2示出了SiC功率器件領(lǐng)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(shù)（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(jì)70年代后期，SiC單晶材料的制備具有了實質(zhì)性地進(jìn)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(yīng)少數(shù)企業(yè)進(jìn)行器件的研究和開發(fā)，因此這期間SiC功率器件領(lǐng)域申請人集中度指數(shù)不斷上升。從1994年開始，前十位申請人全球?qū)＠暾埍壤颈３址€(wěn)定，但穩(wěn)中有上升，一直持續(xù)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(xiàn)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(jìn)步使得全球的SiC襯底晶圓的供應(yīng)量增加，越來越多的企業(yè)參與到SiC功率器件行業(yè)中，導(dǎo)致在全球范圍內(nèi)申請人的集中度保持相對穩(wěn)定;另一方面則是由于中國自20世紀(jì)90年中后期開始扶持發(fā)展SiC材料的制備技術(shù)以及SiC功率器件技術(shù)，諸如北京世紀(jì)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(xiàn)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(shù)呈現(xiàn)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(jìn)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(nèi)，SiC功率器件領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)壟斷程度相對較低，申請人集中度指數(shù)基本保持在50%以下，但是全球范圍內(nèi)SiC功率器件的市場競爭則會更加激烈。此外，SiC功率器件領(lǐng)域中國申請人的進(jìn)入，打破了全球申請人集中度持續(xù)上升的趨勢。然而，由于目前SiC功率器件的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)開始進(jìn)入了成熟期，在未來一段時間內(nèi)，申請人集中度有可能出現(xiàn)再次上升的趨勢，因此，中國申請人急需技術(shù)上的研發(fā)投入以打破國外申請人的技術(shù)壁壘。

3 ?中外企業(yè)重點專利技術(shù)發(fā)展路線

本小節(jié)主要對SiC功率器件領(lǐng)域主要申請主體的專利技術(shù)進(jìn)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(shù)改進(jìn)方向，從而形成時間線下的SiC功率器件重點技術(shù)發(fā)展路線，為國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展提供參考資訊。

針對上述篩選出的重點專利，并結(jié)合相互間的引證關(guān)系，對其技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行分析，如圖3所示。從圖中所示的引證關(guān)系可以看到，不同種器件類型相互之間存在關(guān)聯(lián)，例如BJT中的一項技術(shù)改進(jìn)可以為MOSFET或JFET所用，而MOSFET中的一項技術(shù)改進(jìn)同樣也可以為JFET或IGBT的技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)。圖中標(biāo)注五角星的專利被后續(xù)多篇專利所引用，反映出這些專利的重要性。

從技術(shù)的時間發(fā)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(lǐng)域重點發(fā)展的器件類型，早期的發(fā)展側(cè)重在終端、柵極結(jié)構(gòu)及有源區(qū)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，這與一般Si功率器件發(fā)展的側(cè)重點基本相同。例如，1992年美國北卡羅萊納州立大學(xué)提出US5233215A專利，其終端區(qū)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(huán)，這樣的結(jié)構(gòu)避免采用耗時的高溫擴散工藝來形成浮空場環(huán)。由于SiC材料中雜質(zhì)的擴散系數(shù)比在Si中要小很多，因此對于SiC功率器件而言，這樣的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jìn)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(jìn)行熱氧化，形成的熱氧化膜均勻、質(zhì)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(chǎn)生的COx副產(chǎn)物，可以獲得界面態(tài)少的SiO2/SiC界面。在SiC功率器件中，SiO2/SiC界面的界面態(tài)是影響電子遷移率的重要因素，降低該界面態(tài)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(jìn)降低了SiC功率器件的導(dǎo)通電阻。1998年美國北卡羅萊納州立大學(xué)提出US6023078專利，其有源區(qū)位于電壓支持區(qū)的兩側(cè)，電壓支持區(qū)中包括多個間隔開的電絕緣區(qū)域，兩側(cè)的有源區(qū)均為電荷累積型場效應(yīng)晶體管（AccuFET），這種創(chuàng)新型的有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計，一方面能夠降低導(dǎo)通壓降，也即降低了導(dǎo)通電阻，另一方面實現(xiàn)雙向驅(qū)動能力，并且電壓支持區(qū)保證了高耐壓特性。

2000年之后，MOSFET中出現(xiàn)利用SiC特定材料性質(zhì)的技術(shù)改進(jìn)，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(guān)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(nèi)，相比于傳統(tǒng)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(dá)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(dǎo)通電阻、驅(qū)動電流方面均具有極大的優(yōu)勢。受該專利的啟發(fā)，2011年日本國立大學(xué)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(tài)密度也進(jìn)一步降低，因此可以進(jìn)一步提高電子遷移率，最終器件的載流子遷移率可以達(dá)到90 cm2/Vs甚至更高，進(jìn)而也能夠降低SiC功率器件的導(dǎo)通電阻并增大驅(qū)動電流。

值得一提的是，早在1987年BJT中出現(xiàn)的臺面有源區(qū)結(jié)構(gòu)（1987年美國北卡羅萊納州立大學(xué)提出的專利US4945394A）在后續(xù)的發(fā)展中被應(yīng)用于JFET中，并且成為JFET中的常規(guī)結(jié)構(gòu)。例如，1991年美國克里公司提供專利US5264713A，其有源區(qū)為臺面結(jié)構(gòu)，結(jié)型柵形成在兩臺面結(jié)構(gòu)之間的溝槽中，通過控制兩臺面間溝槽的寬度來實現(xiàn)對JFET中溝道長度的控制，進(jìn)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(qū)也為臺面結(jié)構(gòu)，結(jié)型柵形成在臺面結(jié)構(gòu)兩側(cè)的凹槽中，并且該臺面結(jié)構(gòu)第一部分具有第一平均摻雜濃度，其低于臺面結(jié)構(gòu)第二部分的第二平均摻雜濃度，這樣的結(jié)構(gòu)能夠降低SiC JFET功率器件的導(dǎo)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(chuàng)新性的異質(zhì)結(jié)柵結(jié)構(gòu)，其出現(xiàn)在1996年美國北卡羅萊納州立大學(xué)提出的專利US5753938A中，其為一種異質(zhì)結(jié)柵靜電感應(yīng)晶體管（屬于BJT中的一種），結(jié)型柵形成在有源區(qū)兩側(cè)的凹槽內(nèi)，由P型摻雜的多晶硅填充構(gòu)成異質(zhì)結(jié)柵，其中有源區(qū)為N型摻雜的6H型SiC。這種異質(zhì)結(jié)柵結(jié)構(gòu)提高P型多晶硅中空穴的勢壘，進(jìn)而極大地降低注入至漂移區(qū)的空穴，因此，漂移區(qū)中的存儲電荷減少，能夠改善SiC JFET功率器件的開關(guān)速度，進(jìn)而在高頻應(yīng)用上具有明顯的優(yōu)勢。

對于IGBT器件，由于其為MOSFET與BJT的結(jié)合，因此在技術(shù)發(fā)展上，MOSFET的相關(guān)技術(shù)改進(jìn)可以應(yīng)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(qū)的技術(shù)手段均被應(yīng)用于IGBT器件中。1998年瑞電ABB技術(shù)公司提出專利US6201280A，其將MOSFET功率器件中出現(xiàn)的電荷累積型場效應(yīng)晶體管（AccuFET）的技術(shù)應(yīng)用于IGBT器件中，在柵絕緣層下方的漂移區(qū)中形成電荷累積層，并優(yōu)化電荷累積層的尺寸與元胞尺寸之間的關(guān)系，以此降低了SiC IGBT功率器件的導(dǎo)通電阻，從而使得開關(guān)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(cè)壁穿過源區(qū)層和基區(qū)層，到達(dá)漂移層，并且側(cè)壁與襯底的主表面呈70°的夾角，使得該側(cè)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(nèi)。該技術(shù)手段源自SiC MOSFET功率器件，并針對6H型SiC材料做了進(jìn)一步地技術(shù)擴展，使得SiC IGBT功率器件的導(dǎo)通電阻降低。

至于SBD器件，其在整個技術(shù)發(fā)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(lǐng)域中相關(guān)的專利申請較少有關(guān)。值得一提的是，1995年美國北卡羅萊納州立大學(xué)提出的專利US5449925A，其在肖特基勢壘二極管的終端區(qū)域注入惰性離子并且不進(jìn)行退火處理，使得終端區(qū)域非晶化，該非晶化終端區(qū)域在表面產(chǎn)生一高阻薄層，促使電勢沿表面分散分布，導(dǎo)致邊緣電場降低，進(jìn)而提高了SBD的擊穿電壓。該非晶化處理的技術(shù)手段在SIPOABS數(shù)據(jù)庫中顯示的被引證頻次為91，直至2012年還被現(xiàn)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(jié)

通過本文對數(shù)據(jù)的整理及分析可知，SiC功率器件的發(fā)展受限于SiC單晶襯底材料的發(fā)展。隨著SiC材料制備技術(shù)的發(fā)展，SiC功率器件整體技術(shù)發(fā)展前景較好，尤其是隨著我國自主研制的SiC單晶襯底產(chǎn)品的面世，在我國國內(nèi)SiC功率器件的研究熱潮仍然會持續(xù)較長一段時間，這將會促使全球范圍內(nèi)SiC功率器件領(lǐng)域?qū)＠暾埩康纳仙?。但是，我國在SiC功率器件領(lǐng)域起步較晚，國內(nèi)與國外在SiC功率器件領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)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(guān)的專利布局，并且相應(yīng)專利都處于有效狀態(tài)，因此我國企業(yè)在SiC功率器件領(lǐng)域的發(fā)展將會面臨較大的競爭壓力。另一方面，我國國內(nèi)在SiC功率器件領(lǐng)域的研發(fā)工作主要集中在高校及科研院所，但是他們的一些高質(zhì)量專利未能得到有效的利用，因此，高?？梢约訌娕c國內(nèi)企業(yè)的合作，必要時可以進(jìn)行專利權(quán)的轉(zhuǎn)讓或是許可，促使相關(guān)研究工作的持續(xù)開展，充分發(fā)揮高校及科研院所的科研優(yōu)勢以及企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢。

從全球范圍來看，日本和美國在SiC功率器件領(lǐng)域占據(jù)了技術(shù)創(chuàng)新的主導(dǎo)地位，該領(lǐng)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(yè)在SiC功率器件領(lǐng)域的專利布局較少，海外的專利布局微乎其微，并且在領(lǐng)域中也缺乏在國際上具有競爭力的企業(yè)，因此，我國企業(yè)需要加強研發(fā)的投入，積極尋求技術(shù)上的突破，同時要注重海外的專利布局和專利侵權(quán)風(fēng)險的防范，以增加自身在國際市場上的競爭力。

從技術(shù)發(fā)展上來看，SiC功率器件領(lǐng)域中針對有源區(qū)的改進(jìn)仍然是技術(shù)發(fā)展的重點，但是在這一方面國外企業(yè)已經(jīng)做了大量的專利布局，尤其是一些技術(shù)實力雄厚的跨國企業(yè)，例如美國的克里公司。對于我國企業(yè)來講，如果受限于自身的研發(fā)水平，在SiC功率器件有源區(qū)的改進(jìn)上無法獲得技術(shù)突破的話，可以針對電極、終端區(qū)、絕緣層以及工藝進(jìn)行相關(guān)的外圍專利布局，因為國外企業(yè)在這些方面的專利布局相對較弱，技術(shù)發(fā)展空間相對較大，在這些方面的研發(fā)投入相對容易獲得技術(shù)上的突破。在電極、終端區(qū)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(qū)的改進(jìn)所能獲得的技術(shù)效果最多，因此仍然不能忽視針對SiC功率器件的有源區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)和專利布局，在這一方面，國內(nèi)企業(yè)可以積極尋求與高校及科研院所的戰(zhàn)略合作。

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