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        碳化硅半導(dǎo)體材料研究進(jìn)展及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

        2016-12-12 03:31:00李麗婷
        廈門科技 2016年5期
        關(guān)鍵詞:晶片外延襯底

        李麗婷

        碳化硅半導(dǎo)體材料研究進(jìn)展及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

        李麗婷

        碳化硅特點(diǎn)及應(yīng)用

        碳化硅(SiC)具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速率大、臨界擊穿電場(chǎng)高、介電常數(shù)低及化學(xué)穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn),是新世紀(jì)有廣闊發(fā)展?jié)摿Φ牡谌滦桶雽?dǎo)體材料。SiC晶片和外延襯底在通信、汽車、電網(wǎng)、航空、航天、石油開采以及國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,其主要用途如表1。

        表1 SiC半導(dǎo)體材料主要用途

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        產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展方向

        SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈包括:SiC原料-晶錠-襯底-外延-芯片-器件-模塊,如圖1所示。整個(gè)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)金字塔形的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),在產(chǎn)業(yè)上游的SiC晶體、芯片制造領(lǐng)域目前被美國(guó)Cree公司、日本N ippon Steel公司和德國(guó)SiCrystal公司等少數(shù)幾家巨頭壟斷。

        圖1 碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈簡(jiǎn)圖

        目前制約SiC晶片發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)在于晶體生長(zhǎng)和晶片的切割和拋光,后者決定了產(chǎn)品的良品率和成本。因此,全球市場(chǎng)上SiC晶片價(jià)格昂貴,一片高質(zhì)量的4英寸SiC單晶片的售價(jià)達(dá)到1萬(wàn)元人民幣。高昂的原材料成本占SiC半導(dǎo)體器件價(jià)格的40%以上,SiC晶片價(jià)格已成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。雖然對(duì)于半絕緣型和p型導(dǎo)電SiC晶片的需求量日益增長(zhǎng),但是由于摻雜量和雜質(zhì)原子分布不易控制等技術(shù)難度以及成本原因,高純半絕緣SiC和低阻的p型SiC很難制備,即使是Cree也采用限量供應(yīng)的方式出貨,其他廠商基本不提供這類SiC的批量供應(yīng)。

        對(duì)于SiC晶片,改善SiC晶體生長(zhǎng)工藝,降低生產(chǎn)成本,生產(chǎn)大尺寸、低缺陷密度 、高純半絕緣晶片是未來(lái)SiC晶片的發(fā)展方向,也是SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突破口。對(duì)于外延工藝,小偏角斜切襯底將是未來(lái)外延發(fā)展的方向,現(xiàn)在Cree主推偏角為4°襯底及無(wú)偏角襯底,Cree在SiC襯底制備方面具有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位,它的產(chǎn)品是業(yè)界的風(fēng)向標(biāo),代表了需求的發(fā)展方向。

        國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

        在當(dāng)前科技創(chuàng)新、科技強(qiáng)國(guó)的時(shí)代,以SiC半導(dǎo)體為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究和開發(fā)已經(jīng)得到世界各國(guó)的高度重視。由于SiC半導(dǎo)體襯底材料可制作大功率、高熱導(dǎo)率的高頻率微波器件、功率器件和照明器件,具有非常顯著的性能優(yōu)勢(shì)和巨大的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用,美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都把發(fā)展SiC半導(dǎo)體技術(shù)列入國(guó)家戰(zhàn)略,投入巨資支持發(fā)展,并已在SiC晶體生長(zhǎng)技術(shù)、關(guān)鍵器件工藝、光電器件開發(fā)及SiC集成電路制造等方面取得了突破,為軍用電子系統(tǒng)和武器裝備性能的提高,以及抗惡劣環(huán)境的電子設(shè)備提供了新型器件。

        目前在SiC領(lǐng)域,走在世界前列的是美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū),其中SiC襯底90%以上的生產(chǎn)在美國(guó),亞洲只占4%,歐洲占2%。美國(guó)SiC半導(dǎo)體領(lǐng)軍企業(yè)Cree公司因研究領(lǐng)先,提供85%以上的SiC襯底,主宰著整個(gè)SiC市場(chǎng)。我國(guó)SiC領(lǐng)域在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)上與國(guó)際前沿尚有一定差距,但是正在努力追趕。各先進(jìn)國(guó)家(地區(qū))及我國(guó)研究進(jìn)展具體如表2。

        表2 SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)先進(jìn)國(guó)家(地區(qū))及我國(guó)研究進(jìn)展(Ⅰ)

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        表2 SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)先進(jìn)國(guó)家(地區(qū))及我國(guó)研究進(jìn)展(Ⅱ)

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        SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)中國(guó)專利申請(qǐng)情況

        采用CNIPR中外專利數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行檢索,截止2016年7月19日,涉及SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)的中國(guó)專利申請(qǐng)共有3664件,具體如表3。

        表3 SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)中國(guó)專利申請(qǐng)情況

        從技術(shù)生命周期看,如圖2,我國(guó)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)2008年開始進(jìn)入技術(shù)成長(zhǎng)期,專利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。其中,近10年(2006-2015)專利申請(qǐng)量及申請(qǐng)人數(shù)如表4。

        圖2 我國(guó)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)生命周期

        表4 我國(guó)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)近10年專利申請(qǐng)量&申請(qǐng)人數(shù)

        從技術(shù)領(lǐng)域看,如圖3,我國(guó)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專利技術(shù)主要涉及SiC半導(dǎo)體器件(H01L)、SiC原料生產(chǎn)(C01B)、SiC單晶生長(zhǎng)(C30B)及晶片鍍膜(C23C)等技術(shù)和方法,占總量77%,其中SiC半導(dǎo)體器件(H01L)占47%。

        圖3 我國(guó)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專利技術(shù)領(lǐng)域分布(IPC小類)

        從申請(qǐng)人看,如表5,在3664件SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)中國(guó)專利申請(qǐng)中,本國(guó)申請(qǐng)占68%,國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)占32%。本國(guó)申請(qǐng)人主要為高校和企業(yè),各占43%和41%,科研單位占7%;申請(qǐng)地集中在北京、陜西、江蘇、上海和山東5省,共占本國(guó)申請(qǐng)總量55%。與廈門地緣關(guān)系密切的福建省和臺(tái)灣省申請(qǐng)量不多,各為40件左右。國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)人95%為企業(yè);申請(qǐng)地主要來(lái)自日本和美國(guó),其中日本居首,申請(qǐng)738件,占63%;美國(guó)次之,297件,占25%。國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量排名前20的申請(qǐng)人及專利數(shù)如表6,日本的住友電氣工業(yè)株式會(huì)社和我國(guó)的西安電子科技大學(xué)申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先,各為221件和196件;美國(guó)的克里公司次之,申請(qǐng)了97件。但克里公司是擁有有效專利最多的申請(qǐng)人,達(dá)70件;前兩者雖然申請(qǐng)總量多,但近半數(shù)為在審專利,有效專利僅分別為40件和57件。

        表5 本國(guó)申請(qǐng)&國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)情況

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        可見,我國(guó)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)專利擁有者半數(shù)為高校和科研單位專利,但產(chǎn)業(yè)化效果不明顯,如西安電子科技大學(xué)專利申請(qǐng)量大,但未見產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目報(bào)道。同時(shí),美日主要SiC半導(dǎo)體企業(yè)在我國(guó)部署了SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專利技術(shù),特別是日本的多家家用電器及汽車生產(chǎn)企業(yè)在我國(guó)申請(qǐng)了大量SiC半導(dǎo)體專利技術(shù),這可能意味著他們將在中國(guó)推出更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的家用電器及汽車產(chǎn)品。

        表6 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量排名前20的申請(qǐng)人及專利數(shù)

        廈門研究進(jìn)展

        通過(guò)赴美國(guó)招商,廈門已有SiC外延晶片生產(chǎn)企業(yè)。2012年,瀚天泰成電子科技(廈門)有限公司3英寸和4英寸SiC半導(dǎo)體外延晶片投產(chǎn)。2014年,瀚天天成電子科技(廈門)有限公司 發(fā)布了SiC外延晶片高端產(chǎn)品,成為國(guó)內(nèi)首批產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)6英寸SiC外延晶片的企業(yè)。該產(chǎn)品將為株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司研發(fā)3.3kVSiC功率器件提供SiC外延晶片。

        知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面,廈門2013年和2015年有較集中的SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專利申請(qǐng),目前已申請(qǐng)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)國(guó)內(nèi)專利38件,其中,發(fā)明專利22件,實(shí)用新型16件;有效專利18件,在審專利12件,失效專利8件,其中有效和在審專利如表7。申請(qǐng)人主要為廈門大學(xué) (共14件,4件有效,4件在審,6件失效)、瀚天天成電子科技(廈門)有限公司(共14件,10件有效,3件在審,1件失效)、廈門天睿電子有限公司(共4件,2件有效,2件在審)。涉及技術(shù)領(lǐng)域主要為SiC單晶生長(zhǎng)(C30B)、半導(dǎo)體器件(H 01L)、原料制備(C01B)等。廈門沒(méi)有SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)PCT專利申請(qǐng)。15個(gè)副省級(jí)城市SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)數(shù)量如表8,廈門申請(qǐng)總量排第7位。

        表7 廈門SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)有效和在審專利

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        表8 15個(gè)副省級(jí)城市SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)數(shù)量(件)

        總體看來(lái),廈門對(duì)SiC半導(dǎo)體材料的研究較晚,基礎(chǔ)較弱,規(guī)模也較小,研究集中在單晶生長(zhǎng)、半導(dǎo)體器件等技術(shù)領(lǐng)域。但是通過(guò)政府招商,目前已實(shí)現(xiàn)SiC外延晶片的產(chǎn)業(yè)化。

        評(píng)述及建議

        SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)屬于朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè),SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要強(qiáng)大的資金支持。美國(guó)、日本、歐洲通過(guò)國(guó)家項(xiàng)目支持,實(shí)現(xiàn)快速產(chǎn)業(yè)化。美國(guó)政府高度重視,投入巨資,大力支持Cree等領(lǐng)軍企業(yè),目前占據(jù)SiC技術(shù)前沿,并已將SiC器件應(yīng)用于國(guó)防及航空航天等重要領(lǐng)域。日本推行以應(yīng)用為導(dǎo)向,降低成本的產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略,也已碩果累累。歐洲則實(shí)行以設(shè)備設(shè)計(jì)需求定制器件研發(fā)的大集團(tuán)合作方式,取得了不少成果。中國(guó)要發(fā)展SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),同樣需要政府投入,需要產(chǎn)、學(xué)、研的合作,需要材料、器件和封裝產(chǎn)業(yè)鏈的整合。SiC未來(lái)最大的應(yīng)用市場(chǎng)在中國(guó),我們要抓住這個(gè)契機(jī),盡快推進(jìn)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的成熟,改變我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)一直落后于美日歐等發(fā)達(dá)國(guó)家的局面。

        針對(duì)廈門市SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小,基礎(chǔ)研究較弱等實(shí)際情況,以下對(duì)廈門市發(fā)展SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提出幾條建議,僅供參考。

        1.圍繞廈門市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)布局SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈,盡快制定SiC半導(dǎo)體技術(shù)路線圖,促進(jìn)全市LED、汽車、電力等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

        2.借鑒日本的以應(yīng)用促技術(shù)研發(fā)、歐洲的需求定制技術(shù)研發(fā)等SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式,通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作方式,有針對(duì)性地進(jìn)行SiC半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā),以促進(jìn)SiC半導(dǎo)體研究成果快速產(chǎn)業(yè)化。

        3.通過(guò)“雙百計(jì)劃”“海納百川”等人才政策,積極引進(jìn)國(guó)內(nèi)外SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才、創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和龍頭企業(yè),盡快擴(kuò)大全市SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模,加速市SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

        (作者單位:廈門市科學(xué)技術(shù)信息研究院)

        ①DARPA:美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局

        ② LAST POWER:Large Area silicon-carbide Substrates and heteroepitaxialGaN for POWER device applications

        ③NASA:美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局

        ④ 克里公司、克里研究公司、科銳、科銳有限公司合并為克里公司。

        ⑤ 山東天岳先進(jìn)材料科技有限公司、山東天岳晶體材料有限公司合并為山東天岳。

        ⑥ 瀚天泰成電子科技 (廈門)有限公司2011年成立,2013年改名為瀚天天成電子科技(廈門)有限公司。專利分析時(shí),合并為瀚天天成電子科技(廈門)有限公司。

        圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

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