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Cree公司、日本N ippon Steel公司和德國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)鏈簡圖

目前制約SiC晶片發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)在于晶體生長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。雖然對于半絕緣型和p型導(dǎo)電SiC晶片的需求量日益增長，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)。

對于SiC晶片，改善SiC晶體生長工藝，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。對于外延工藝，小偏角斜切襯底將是未來外延發(fā)展的方向，現(xiàn)在Cree主推偏角為4°襯底及無偏角襯底，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。

國內(nèi)外研究進(jìn)展

在當(dāng)前科技創(chuàng)新、科技強(qiáng)國的時(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)勢和巨大的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都把發(fā)展SiC半導(dǎo)體技術(shù)列入國家戰(zhàn)略，投入巨資支持發(fā)展，并已在SiC晶體生長技術(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、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，其中SiC襯底90%以上的生產(chǎn)在美國，亞洲只占4%，歐洲占2%。美國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。我國SiC領(lǐng)域在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)上與國際前沿尚有一定差距，但是正在努力追趕。各先進(jìn)國家（地區(qū)）及我國研究進(jìn)展具體如表2。

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

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

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

采用CNIPR中外專利數(shù)據(jù)庫服務(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)的中國專利申請共有3664件，具體如表3。

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

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

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

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

從技術(shù)領(lǐng)域看，如圖3，我國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（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）

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

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可見，我國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)在我國申請了大量SiC半導(dǎo)體專利技術(shù)，這可能意味著他們將在中國推出更具有市場競爭力的家用電器及汽車產(chǎn)品。

表6 國內(nèi)外專利申請量排名前20的申請人及專利數(shù)

廈門研究進(jìn)展

通過赴美國招商，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，目前已申請SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)國內(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（C30B）、半導(dǎo)體器件（H 01L）、原料制備（C01B）等。廈門沒有SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)PCT專利申請。15個(gè)副省級(jí)城市SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)國內(nèi)專利申請數(shù)量如表8，廈門申請總量排第7位。

表7 廈門SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)國內(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)國內(nèi)專利申請數(shù)量（件）

總體看來，廈門對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、半導(dǎo)體器件等技術(shù)領(lǐng)域。但是通過政府招商，目前已實(shí)現(xiàn)SiC外延晶片的產(chǎn)業(yè)化。

評述及建議

SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)屬于朝陽產(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、日本、歐洲通過國家項(xiàng)目支持，實(shí)現(xiàn)快速產(chǎn)業(yè)化。美國政府高度重視，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未來最大的應(yīng)用市場在中國，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，改變我國半導(dǎo)體行業(yè)一直落后于美日歐等發(fā)達(dá)國家的局面。

針對廈門市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，通過產(chǎn)學(xué)研合作方式，有針對性地進(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“雙百計(jì)劃”“海納百川”等人才政策，積極引進(jìn)國內(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）

注

①DARPA：美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局

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

③NASA：美國國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。

圖片來自網(wǎng)絡(luò)