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初探國際半導體大廠ROHM之SiC碳化矽專利佈局

【提摩太 ╱北美智權報 專欄作家】

※如欲轉載本文,請與北美智權報聯絡

帶隙能量(bandgap energy)比第一和第二代半導體 (諸如Si、GaAs) 寬,且具有高電場耐壓性能;因此能實現高耐壓化、大電流化、低導通電阻化、高效率化、低功耗化、高速開關等的碳化矽 (SiC) 第三代半導體而備受矚目。第三代半導體材料主要用於光電子器件、電力電子器件 (即功率半導體) 以及微波 (Microwave) 或射頻 (Radio frequency,RF) 器件。汽車是碳排放的重要來源,低碳排放的趨勢驅動全球電動汽車產業崛起,帶動電力電子 (即功率半導體) 快速增長。

電動汽車的整車半導體平均總成本是傳統汽車的兩倍,而電動汽車有高達五成的總成本與功率元件有關。單就功率元件而言,與矽基元件相比,採用碳化矽方案的每輛整車成本較採用IGBT(絕緣柵雙極電晶體)多出300美元。但因為碳化矽的成本優勢不在於元件本身,而在車輛整體成本;換言之,當採用碳化矽時,開關頻率可以設計得更高 (圖1) 以提升元件效能、降低被動元件的占地尺寸和成本,進而可縮小模組整體尺寸,反而降低了整體應用成本。根據預測,相較傳統矽基解決方案,碳化矽解決方案可使「整車半導體成本」節省2,000美元(圖2)。目前碳化矽MOSFET主要用於驅動馬達逆變器和車載充電器,特斯拉三年前推出的Model S和近期推出的Model 3等中高階量產車款已完全採用碳化矽。由於成本因素和性能優勢,碳化矽現今已成為中高階量產純電動汽車(BEV)的最愛,預估到2025年電動汽車將有逾七成的功率半導體元件採用碳化矽。

圖1. 矽與寬能隙功率元件之性能對照及市場定位 (圖片來源:STMicroelectronics)
圖1. 矽與寬能隙功率元件之性能對照及市場定位 (圖片來源:STMicroelectronics)

圖2. 碳化矽 MOSFET在電動車製造中的優勢 (圖片來源:Goldman Sachs)
圖2. 碳化矽 MOSFET在電動車製造中的優勢 (圖片來源:Goldman Sachs)

ROHM集團在碳化矽半導體材料的專利佈局

在碳化矽功率半導體方面,日本的羅姆半導體 (Rohm) 與美國的Cree一樣,具備從碳化矽襯底、外延、元件及模組的全產業鏈垂直供應體系,其中ROHM集團旗下SiCrystal公司在歐洲碳化矽晶圓市佔率第一,其地位不容忽視。

日本的ROHM集團成立於1958年,歷經半個多世紀的發展,已成為全球知名的半導體廠商。在ROHM集團的碳化矽半導體材料專利組合 (patent portfolio)[2]中,除母公司ROHM的專利外,也包含旗下子公司SiCrystal、LAPIS半導體株式會社 (LAPIS Semiconductor)[3]以及Siemens轉讓給SiCrystal的專利。

圖3為ROHM集團在碳化矽半導體材料方面的專利申請趨勢,係以最早優先權申請年統計ROHM集團的INPADOC專利家族數量。最早優先權自1994年起開始有碳化矽單晶體成長方法的相關專利申請,到了2018年有最多相關專利家族申請,其後下降係因部分專利尚未公開所致。

圖3.  ROHM集團在碳化矽晶圓(含襯底及磊晶成長)的歷年專利公開趨勢 (註:經篩選與碳化矽襯底及其磊晶技藝相關的專利,以最早優先權申請年統計(Count by INPADOC family), 數據取得日期:2021年6月16日)
圖3. ROHM集團在碳化矽晶圓(含襯底及磊晶成長)的歷年專利公開趨勢 (註:經篩選與碳化矽襯底及其磊晶技藝相關的專利,以最早優先權申請年統計(Count by INPADOC family), 數據取得日期:2021年6月16日)

在ROHM集團碳化矽半導體材料的專利組合中,統計其國際專利分類號(International Patent Classification,IPC)的分布,在其三階IPC技術分布中(圖4),以C30B (晶體生長;具有一定結構的均勻多晶材料之製備;單晶或具有一定結構之均勻多晶材料及其後處理) 最多,其次H01L (半導體裝置),再其次為B24B (用於磨削或拋光之裝置或工藝)。在其四階IPC技術分布中(圖5),以C30B 29 (以材料或形狀為特徵的單晶或具有一定結構之均勻多晶材料) 最多,其次依序為C30B 23 (冷凝氣化物或材料揮發法之單晶生長)、H01L 21(適用於製造或處理半導體或固體裝置或部件之方法或設備)、H01L 29 (適用於整流、放大、振盪、切換、電容器或電阻器的半導體裝置,其至少具有如PN接合空乏層或載子集聚層的電位能障或表面能障;半導體或其電極之零部件)、C30B 25 (反應氣體化學反應法之單晶生長,例如化學氣相沉積生長)、C30B 33 (單晶或具有一定結構的均勻多晶材料之後處理,如研磨、拋光)。在其五階IPC技術分布中 (圖6),以C30B 29/36 (以碳化物材料為特徵的單晶或具有一定結構之均勻多晶材料) 分布最多,其次依序為C30B 23/02 (外延層生長) 和C30B 23/00(冷凝氣化物或材料揮發法之單晶生長)。將ROHM集團碳化矽材料專利組合(By INPADOC Family) 中涉及之國際專利分類碼 (IPC) 整理如表1。

圖4.  ROHM集團在碳化矽襯底及其磊晶的三階專利分類號分布前三大類 ( 製表:提摩太)
圖4. ROHM集團在碳化矽襯底及其磊晶的三階專利分類號分布前三大類 ( 製表:提摩太)

圖5.  ROHM集團在碳化矽襯底及其磊晶的四階專利分類號分布前六大類 (製表:提摩太)
圖5. ROHM集團在碳化矽襯底及其磊晶的四階專利分類號分布前六大類 (製表:提摩太)

圖6.  ROHM集團在碳化矽襯底及其磊晶的五階專利分類號分布前三大類 ( 製表:提摩太)
圖6. ROHM集團在碳化矽襯底及其磊晶的五階專利分類號分布前三大類 ( 製表:提摩太)

表1.  ROHM集團碳化矽材料專利組合中所涉及之IPC國際專利分類號 (製表:提摩太)
表1. ROHM集團碳化矽材料專利組合中所涉及之IPC國際專利分類號 (製表:提摩太)


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