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(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(shì)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(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、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(chǎng)。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(qǐng)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(qǐng)共有3664件，具體如表3。

表3 SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)中國專利申請(qǐng)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(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(qǐng)量&申請(qǐng)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(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)中國專利申請(qǐng)中，本國申請(qǐng)占68%，國外來華申請(qǐng)占32%。本國申請(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。國外來華申請(qǐng)人95%為企業(yè)；申請(qǐng)地主要來自日本和美國，其中日本居首，申請(qǐng)738件，占63%；美國次之，297件，占25%。國內(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 本國申請(qǐng)&國外來華申請(qǐng)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(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(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(qǐng)，目前已申請(qǐng)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(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(qǐng)數(shù)量（件）

總體看來，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(chǎng)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(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“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)