北美智权股份有限公司

带隙能量（bandgap energy）比第一和第二代半导体 (诸如Si、GaAs) 宽，且具有高电场耐压性能；因此能实现高耐压化、大电流化、低导通电阻化、高效率化、低功耗化、高速开关等的碳化硅 (SiC) 第三代半导体而备受瞩目。第三代半导体材料主要用于光电子器件、电力电子器件 (即功率半导体) 以及微波 (Microwave) 或射频 (Radio frequency，RF) 器件。汽车是碳排放的重要来源，低碳排放的趋势驱动全球电动汽车产业崛起，带动电力电子 (即功率半导体) 快速增长。

电动汽车的整车半导体平均总成本是传统汽车的两倍，而电动汽车有高达五成的总成本与功率组件有关。单就功率组件而言，与硅基组件相比，采用碳化硅方案的每辆整车成本较采用IGBT（绝缘栅双极晶体管）多出300美元。但因为碳化硅的成本优势不在于组件本身，而在车辆整体成本；换言之，当采用碳化硅时，开关频率可以设计得更高 (图1) 以提升组件效能、降低被动组件的占地尺寸和成本，进而可缩小模块整体尺寸，反而降低了整体应用成本。根据预测，相较传统硅基解决方案，碳化硅解决方案可使「整车半导体成本」节省2,000美元(图2)。目前碳化硅MOSFET主要用于驱动马达逆变器和车载充电器，特斯拉三年前推出的Model S和近期推出的Model 3等中高阶量产车款已完全采用碳化硅。由于成本因素和性能优势，碳化硅现今已成为中高阶量产纯电动汽车(BEV)的最爱，预估到2025年电动汽车将有逾七成的功率半导体组件采用碳化硅[1]。

图1. 硅与宽能隙功率组件之性能对照及市场定位

图片来源：STMicroelectronics

图2. 碳化硅 MOSFET在电动车制造中的优势

图片来源：Goldman Sachs

在碳化硅功率半导体方面，日本的罗姆半导体 (Rohm) 与美国的Cree一样，具备从碳化硅衬底、外延、组件及模块的全产业链垂直供应体系，其中ROHM集团旗下SiCrystal公司在欧洲碳化硅晶圆市占率第一，其地位不容忽视。

日本的ROHM集团成立于1958年，历经半个多世纪的发展，已成为全球知名的半导体厂商。在ROHM集团的碳化硅半导体材料专利组合 (patent portfolio)[2]中，除母公司ROHM的专利外，也包含旗下子公司SiCrystal、LAPIS半导体株式会社 (LAPIS Semiconductor)[3]以及Siemens转让给SiCrystal的专利。

图3为ROHM集团在碳化硅半导体材料方面的专利申请趋势，系以最早优先权申请年统计ROHM集团的INPADOC专利家族数量。最早优先权自1994年起开始有碳化硅单晶体成长方法的相关专利申请，到了2018年有最多相关专利家族申请，其后下降系因部分专利尚未公开所致。

图3. ROHM集团在碳化硅晶圆(含衬底及磊晶成长)的历年专利公开趋势

注：经筛选与碳化硅衬底及其磊晶技艺相关的专利，以最早优先权申请年统计（Count by INPADOC family)
数据取得日期：2021年6月16日

在ROHM集团碳化硅半导体材料的专利组合中，统计其国际专利分类号(International Patent Classification，IPC)的分布，在其三阶IPC技术分布中(图4)，以C30B (晶体生长；具有一定结构的均匀多晶材料之制备；单晶或具有一定结构之均匀多晶材料及其后处理) 最多，其次H01L (半导体装置)，再其次为B24B (用于磨削或抛光之装置或工艺)。在其四阶IPC技术分布中(图5)，以C30B 29 (以材料或形状为特征的单晶或具有一定结构之均匀多晶材料) 最多，其次依序为C30B 23 (冷凝气化物或材料挥发法之单晶生长)、H01L 21(适用于制造或处理半导体或固体装置或部件之方法或设备)、H01L 29 (适用于整流、放大、振荡、切换、电容器或电阻器的半导体装置，其至少具有如PN接合空乏层或载子集聚层的电位能障或表面能障；半导体或其电极之零部件)、C30B 25 (反应气体化学反应法之单晶生长，例如化学气相沉积生长)、C30B 33 (单晶或具有一定结构的均匀多晶材料之后处理，如研磨、抛光)。在其五阶IPC技术分布中 (图6)，以C30B 29/36 (以碳化物材料为特征的单晶或具有一定结构之均匀多晶材料) 分布最多，其次依序为C30B 23/02 (外延层生长) 和C30B 23/00(冷凝气化物或材料挥发法之单晶生长)。将ROHM集团碳化硅材料专利组合(By INPADOC Family) 中涉及之国际专利分类码 (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

制表：提摩太

图5. ROHM集团在碳化硅衬底及其磊晶的四阶专利分类号分布前六大类

制表：提摩太

图6. ROHM集团在碳化硅衬底及其磊晶的五阶专利分类号分布前三大类

制表：提摩太

表1. ROHM集团碳化硅材料专利组合中所涉及之IPC国际专利分类号

一般而言，碳化硅单晶外延膜可透过化学气相沉积 (CVD) 法、升华法等生长。然而，当半导体晶圆往大直径的趋势 (例如6吋或8吋) 时，透过该等外延生长方法而形成碳化硅膜的碳化硅衬底的弯曲问题就会愈来愈严重，超过几十微米的大弯曲碳化硅衬底将会使后续精细图案的形成更加困难。因此，ROHM集团旗下Oki Semiconductor (后更名LAPIS Semiconductor) 提供一种能够减少半导体晶圆弯曲的方法专利[4]，如图7所示，该方法可应用于具有碳化硅膜 (102) 之碳化硅衬底 (101)的半导体器件。其特征为在碳化硅膜(102)中形成凹槽(grooves) (107)，且该凹槽107围绕碳化硅膜(102)中的晶体缺陷集中区域 (crystal-defect concentrated region) (103)形成，藉以减轻碳化硅膜 (102) 的应力，以减少半导体晶圆的弯曲。此外，这些在碳化硅膜（102）生长过程中集中的晶体缺陷 (例如位错dislocation)，可以进一步藉由凹槽的形成去除之。值得一提的是，此改善碳化硅半导体晶圆弯曲问题的方法专利，后续也被住友电工 (Sumitomo Electric Industries, Ltd.) 和飞思卡尔半导体 (Freescale Semiconductor) 的专利所引用[5]。

图7. 具有凹槽之碳化硅膜之碳化硅衬底的半导体晶圆

图片来源：美国专利US7718515B2图式

磊晶层的品质取决于碳化硅单晶衬底的局部取向。为使升华生长阶段碳化硅晶种具备有利的晶格平面曲率，ROHM集团旗下子公司SiCrystal提供一种透过升华生长制备碳化硅体积单晶(SiC volume monocrystal) 的专利[6]，该方法包括在生长过程中，透过将粉状碳化硅源材料的升华及其升华的气体成分输送至晶体生长区域中而产生碳化硅生长气相；具有中心纵向轴的碳化硅体积单晶透过从碳化硅生长气相沉积在碳化硅晶种上进行生长；进行加热阶段弯曲碳化硅晶种，从而调整具有非均匀晶格平面的碳化硅晶体结构，每个点的晶格平面相对于中心纵向轴的方向有倾斜角度，并且碳化硅晶种的径向边缘处的周向倾斜角与中心纵向轴位置处的中心倾斜角在量上相差至少0.05°且至多0.2°。由于加热阶段引起碳化硅晶种晶格平面有利的曲率，有助于磊晶制程的质量提升。

图8. 加热阶段使碳化硅晶种弯曲示意图

图片来源：美国专利US09590046B2图式

应用碳化硅的重要问题之一在于成本，且碳化硅器件中以晶圆所占的成本最高[7]。降低碳化硅衬底的偏角是一种降低碳化硅器件成本的方法，然而使用低偏角化衬底、难以高质量外延生长。因此，ROHM提出一种在低偏角碳化硅衬底上实现表面缺陷少，并能降低成本的碳化硅外延生长技术[8]。该碳化硅外延晶圆的特征在于具备小于4度的低偏角衬底 (图9)；以及配置在该衬底上的碳化硅外延生长层，其中该碳化硅外延生长层以Si化合物为Si的供给源，以C化合物为C的供给源，使载流子密度均匀性小于10％，且缺陷密度小于1个/cm2，所述Si化合物与所述C化合物之C/Si比具有0.7以上0.95以下的范围 (图10)。该专利申请专利范围除主张碳化硅外延晶圆外，亦主张碳化硅外延晶圆的制造方法及碳化硅外延晶圆的制造装置，藉此在相对高的生长温度中能有效抑制阶褶 (step bunching) 和三角缺陷密度的发生。

图9. 以小于4度的偏角从碳化硅晶锭切割出碳化硅外延芯片的示意图

图片来源：美国专利US10876220B2图式

图10. 低偏角碳化硅衬底之碳化硅外延生长技术的最佳实施例示意图

图片来源：美国专利US10876220B2图式

碳化硅功率半导体模块在新能源汽车上的应用，是今后业界的趋势所在。为确保车电组件厂商的核心竞争力，ROHM大力支持中国新能源车驱动领域的臻驱科技 (上海) 有限公司[9]，并于2020年6月9日携手宣布在中国（上海）自由贸易区成立「碳化硅技术联合实验室」，希望透过ROHM的碳化硅技术加强双方合作关系，携手推动车电功率模块和逆变器的研发，推出以碳化硅为主的创新电源解决方案。

日本Rohm旗下的SiCrystal和美国的Cree、II-VI合计占据了全球碳化硅芯片90%的出货量，上游芯片衬底基本上已被美、日大厂垄断，半导体组件巨头纷纷与这些碳化硅晶圆材料厂签订长约，以满足市场对碳化硅功率组件日益成长的需求。为确保电动汽车市场稳定供应碳化硅，罗姆集团旗下在欧洲碳化硅晶圆市占率第一的SiCrystal公司，于2020年1月宣布和意法半导体 (STMicroelectronics，ST) 签订碳化硅晶圆长期供应协议，协议向意法半导体提供总价超过1.2亿美元之先进150mm(6吋)碳化硅芯片。双方合作确保所需的SiC晶圆产量，并达到供需平衡，满足未来几年在汽车和工业上商用化的市场需求。

基于碳化硅技术本身的复杂性与创新难度，目前在价格上仍将与硅基组件保持适当的差距。而从罗姆集团与意法强化合作来看，也代表碳化硅未来可望更为普及。长远来看，SiC碳化硅和GaN等化合物半导体售价终将趋于亲民。

任苙萍，ST：掌握复杂制程专利效能、可靠摆第一！CompoTech Asia，电子与计算机11月号产业特辑，2020年11月12日，页21-23，http://www.compotechasia.com/a/feature/2020/1112/46359.html
截至2021年6月16日止，ROHM集团在碳化硅半导体材料方面的专利组合，经筛选与碳化硅衬底及其磊晶技术相关的专利共40案(Count by INPADOC family)，合计132件专利。
ROHM集团旗下LAPIS Semiconductor是一家在数字通信市场方面领先的硅芯片解决方案供货商，在半导体技术开发及产品制造方面拥有丰富的专业技术和经验，其前身为Oki Semiconductor Co. Ltd.，之后分离重组于2011年更名为LAPIS Semiconductor。
US7718515B2, Oki Semiconductor, Method for fabricating semiconductor device, patent issued on 2010 May 18.
US20120171850A1, Sumitomo Electric Industries, Semiconductor device and process for production of semiconductor device, patent published on 2012 July 5. ; US20130175671A1, Freescale Semiconductor, “Methods for processing a semiconductor wafer, a semiconductor wafer and a semiconductor device”, patent published on 2013 July 11.
US09590046B2, SiCrystal GMBH, Monocrystalline SiC substrate with a non-homogeneous lattice plane course, patent issued on 2017 March 7.
碳化硅半导体组件的成本明细中，晶圆约占50％，SiC磊晶生长约22％，制造工艺约28％。
US10876220B2, ROHM CO., LTD., “SiC epitaxial wafer, manufacturing apparatus of SiC epitaxial wafer, fabrication method of SiC epitaxial wafer, and semiconductor device”, patent issued on 2020 December 29.
臻驱科技成立于2017年，专攻新能源汽车动力解决方案，是一家供应搭载先端半导体组件的功率模块和马达逆变器的高科技公司。臻驱科技在碳化硅材料上也拥有深厚的技术成就，拥有100多项国际专利，累积超过十年以上的碳化硅模块和系统开发经验，在新能源、电能转换及功率电子三大领域中，拥有具国际水平的技术研发能力。