超結(jié)中國(guó)專利技術(shù)綜述

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 周天微 王 琳

超結(jié)中國(guó)專利技術(shù)綜述

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 周天微 王 琳

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)域中國(guó)的相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)行分析，從申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人、法律狀態(tài)、技術(shù)效果等多個(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)；法律狀態(tài)；技術(shù)效果

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)功耗則比較高,而要降低通態(tài)功耗,就必須減小導(dǎo)通電阻Ron。但是,擊穿電壓和導(dǎo)通電阻始終是一對(duì)矛盾。按照傳統(tǒng)理論器件的特征導(dǎo)通電阻受擊穿電壓的限制存在一個(gè)極限,即“硅極限”。

1984年，飛利浦美國(guó)公司第一次給出了在橫向高壓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的方法；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)這一思想的進(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[2-3]。

截至2017年5月1日，在中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)（CNABS）中檢索并經(jīng)過(guò)人工篩選后得到超結(jié)的全球?qū)＠暾?qǐng)共計(jì)919件，以此作為本文專利分析的數(shù)據(jù)樣本。

1.申請(qǐng)趨勢(shì)

從圖中可以看出，1991年電子科技大學(xué)的陳星弼院士提出“復(fù)合緩沖層”；在2008年以前，超結(jié)申請(qǐng)量非常少，尚處于萌芽狀態(tài)，并未引起足夠的關(guān)注；從2009年開始國(guó)內(nèi)超結(jié)的專利申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，2012年年申請(qǐng)量達(dá)到174件，說(shuō)明超結(jié)結(jié)構(gòu)吸引了越來(lái)越多業(yè)界的目光；2013年以后略有下降，但仍然保持較高的申請(qǐng)量。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人占比較大，達(dá)70%，國(guó)外申請(qǐng)人占30%，說(shuō)明國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人重視超結(jié)技術(shù)的本國(guó)布局。

圖1 中國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

2.申請(qǐng)人排名

申請(qǐng)量排名前12位的申請(qǐng)人中有7家是中國(guó)的公司、大學(xué)和個(gè)人，表明中國(guó)對(duì)于超結(jié)技術(shù)的重視程度。國(guó)外申請(qǐng)人中日本公司占了大半，說(shuō)明日本公司在該領(lǐng)域具有大的優(yōu)勢(shì)。申請(qǐng)量最多的是上海華虹宏力公司，為159件，在2009年首次提出該領(lǐng)域的申請(qǐng)，雖然對(duì)該領(lǐng)域的涉獵較晚，但對(duì)超結(jié)的研究很有熱情，申請(qǐng)量增長(zhǎng)很快；排名第二的是英飛凌，為65件，對(duì)于超結(jié)的研究較早，而且掌握多項(xiàng)核心專利；排名第三的是電子科技大學(xué)，為57件，電子科技大學(xué)對(duì)超結(jié)的研究起步比較早，但是由于超結(jié)器件工藝要求高，而國(guó)內(nèi)工藝水平較弱，因此初期的研究大都僅限于理論或軟件仿真；值得注意的是，排名第四的是個(gè)人申請(qǐng)，為53件，占了相當(dāng)大的比例。

3.法律狀態(tài)分布

超結(jié)結(jié)構(gòu)的申請(qǐng)中有效申請(qǐng)即授權(quán)占比將近45%；失效申請(qǐng)占比17%，其中視撤比例為10%，駁回和授權(quán)后放棄比例各為2%，權(quán)利終止比例為3%；實(shí)審未決的比例很大，占37%。在審結(jié)的案件中，授權(quán)比例高達(dá)72%，駁回比例很低，說(shuō)明超結(jié)方面的專利申請(qǐng)技術(shù)領(lǐng)先。

圖2 中國(guó)專利申請(qǐng)法律狀態(tài)分布圖

4.重要申請(qǐng)人的技術(shù)效果時(shí)間分布

超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備工藝方法主要包括四種：（1）多次外延與注入法；（2）多次高能離子注入法；（3）深溝槽填充P外延層法；（4）深溝槽側(cè)壁傾斜注入法。

申請(qǐng)量排名第一的華虹宏力公司，在159件專利申請(qǐng)中有131件申請(qǐng)采用深溝槽填充p型外延層方法制備超結(jié)。這些申請(qǐng)中涉及的主要專利技術(shù)效果方向包括提高擊穿電壓VB、降低導(dǎo)通電阻Ron、降低溝槽填充空洞以及提高抗過(guò)沖電流能力等4個(gè)方向。

圖3 華虹宏力公司采用深溝槽填充p型外延層法制備超結(jié)中的技術(shù)效果分布

在所有技術(shù)效果方向中，降低導(dǎo)通電阻Ron和降低溝槽填充空洞是最早出現(xiàn)的，且由于采用深溝槽填充p型外延層方法制備超結(jié)，對(duì)溝槽的高深寬要求比較高，因此在深溝槽中外延時(shí)，可能導(dǎo)致溝槽內(nèi)部不能被p型外延填滿，產(chǎn)生空洞。因此初期對(duì)于如何降低溝槽填充產(chǎn)生的空洞進(jìn)行了較多的研究；另外，提出超結(jié)結(jié)構(gòu)的目的是為了改善導(dǎo)通電阻和擊穿電壓的矛盾關(guān)系，因此研究提高擊穿電壓和降低導(dǎo)通電阻的技術(shù)效果的申請(qǐng)量比較高，也是目前研究的重點(diǎn)；此外，在終端保護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置PN柱，能夠保證在器件關(guān)斷時(shí)電流不過(guò)沖，提高器件的抗電流過(guò)沖能力，此技術(shù)效果方向申請(qǐng)量相對(duì)較少。

5.結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)超結(jié)領(lǐng)域的專利進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)大多數(shù)申請(qǐng)人在超結(jié)領(lǐng)域的研究起步較晚，但隨著專利申請(qǐng)量的逐年增加，在保持追趕的同時(shí)縮小了和國(guó)外的差距；同時(shí)排名第一的華虹宏力公司在制備超結(jié)的工藝方法和技術(shù)效果上已經(jīng)進(jìn)行了一定數(shù)量的專利布局，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)當(dāng)考慮自身特點(diǎn)，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，合理制定專利申請(qǐng)策略和展開布局。

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

[2]Lorenz L,Deboy G,Knapp A,et al．COOLMOS-a new milestone in high voltage power MOS．In:IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs．Tornoto:IEEE Press,1999:3-10．

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