本文轉載自【電子工程專輯】公衆号
據預測，未來十年内，電動車市場将保持兩位數增長。随着電動車市場漸入佳境，碳化矽(SiC)功率器件前景廣闊。事實上，大多數電動車制造商正在整合或評估碳化矽功率器件在不同電動車系統中的使用，包括牽引逆變器、DC-DC轉換器和車載充電器。此外，作為大規模推廣電動車所必須的快充基礎設施，碳化矽功率器件也是不錯的選擇。
據麥肯錫公司資料，中國已然是全球最大的電動車市場，從2020到2030年間，中國還将以24%的年增速保持最具活力市場的榜首。是以，中國已經成為了主要碳化矽器件公司的頭号目标，例如意法半導體(STMicroelectronics)、Wolfspeed、羅姆半導體(Rohm Semiconductor)、英飛淩(Infineon)、安美森(onsemi)和三菱電機(Mitsubishi Electric)，它們加起來占全球市場80%以上的份額。另一方面，由于中美貿易戰撼動了中國的半導體行業，中國政府已敦促中方企業在最新和最具有戰略性的技術方面(包括碳化矽和氮化镓)迎頭趕上，最終實作自給自足的目标。
在此背景下，Knowmade作為一家多年來跟蹤碳化矽專利情況的公司，将近期的研究重點放在改變中國新興碳化矽供應鍊的中國企業上。
過去二十多年，日本企業在碳化矽專利數量上獨占鳌頭，三菱電機、住友電氣(Sumitomo Electric)、電裝(Denso)、富士電機(Fuji Electric)和豐田汽車(Toyota Motor)不斷推動專利發展，而中國的碳化矽專利活動自2010年代初興起，在過去十年增長迅猛。是以，從2018年起，中國專利申請人超越了日本專利申請人，獲得了碳化矽知識産權的上司地位(圖1)。
另外，中國企業近幾年在專利申請上持續發力、追趕國外龍頭企業，而日本的專利活動從2013年起進入穩定期，反映出日本碳化矽企業達到了高度的技術成熟。“一個有趣的現象是，中國的專利申請平均分布在材料(塊狀碳化矽、碳化矽外延片)和功率電器(碳化矽MOSFET和JFET等)之間，約一半的碳化矽材料發明集中在碳化矽生長的裝置和工具上，這是所有新入場碳化矽裸晶圓業務都會面臨的第一個技術挑戰和障礙，”Rémi Comyn博士談到，他是Knowmade公司複合半導體和電子部門的技術和專利分析師。事實上，碳化矽生長技術并沒有統一的标準途徑，這是與矽生長技術不同的一點。
在圖2所示的功率型碳化矽供應鍊上的中國專利申請人分類情況表明，目前供應鍊各個環節中已存在大量擁有知識産權的中國企業。例如，在塊狀碳化矽領域，中國電科研究所、山東大學和中科院(上海矽酸鹽研究所、實體研究所、半導體研究所)等研究機構在中國率先開展了碳化矽晶體生長的研究，并推動了國内工業企業的出現，如北京天科合達(成立于2006年)、山東天嶽(成立于2010年)和河北同光晶體(成立于2012年)。
近期，一批新的初創企業從這些研究所誕生，如山西爍科晶體有限公司(中國電科)和廣州南沙晶圓半導體技術有限公司(山東大學)。此外，幾家從事LED産品的藍寶石襯底開發和商品化的企業也進入塊狀碳化矽知識産權領域，例如上海晶豐明源半導體(2019年進入)和浙江晶盛機電(2020年進入)。
最終，北京世紀金光(2011年進入)和廈門三安光電(2020年進入)等旨在建立垂直整合模式的知識産權參與者也進入了塊狀碳化矽專利領域。在中科院上海矽酸鹽研究所支援下，世紀金光于2012年建立其首條四英寸試點生産線，并于2016年和2017年獲得了北京華進創威電子在塊狀碳化矽領域擁有的至少17項專利發明的知識産權。
另一方面，三安光電(其碳化矽專利組合在Knowmade上一篇文章中進行了分析)于2020年收購了北電新材，并開始在長沙高科技産業園建立生産平台，覆寫從塊狀碳化矽晶體生長到晶圓、功率器件、封裝和測試的各個生産環節。
在碳化矽功率器件專利領域中(圖3)，中國主要的專利權人是公共研究機構(西安電子科技大學、電子科技大學和中科院微電子研究所)或國有企業(中國中車、國家電網和中國電科)。但是，例如基本半導體(成立于2009年)、北京世紀金光(2010年)和泰克天潤半導體科技(2011年)等幾家專門做碳化矽的企業現在已在知識産權版圖中站穩腳跟。
另外，最近幾家從事功率半導體行業的公司也挺進了碳化矽器件專利版圖，如方正微電子(2018年進入)、無錫新潔能(2018年進入)和華潤微電子(2019年進入)。與塊狀碳化矽專利情況類似，初創企業源源不斷地從國内的研究機構湧現出來，例如國聯萬衆(成立于2015年，與中國電科挂鈎)、東莞清芯(成立于2018年，與西安交通大學挂鈎)、廈門紫矽(成立于2019年，與半導體研究所挂鈎)和中科漢韻半導體(成立于2019年，與中科院微電子研究所挂鈎)。派恩傑半導體是一家由北卡州立大學校友在2018年成立的初創企業，它在2019年高調進入碳化矽期間專利領域。這是一家從事碳化矽和氮化镓功率器件設計的企業，主要依靠X-FAB生産碳化矽器件(用平面栅極MOSFET技術)。這家無晶圓廠的企業在2021年9月開始大規模生産其第一批碳化矽晶圓。
“總體而言，中國的碳化矽MOSFET專利申請量是碳化矽二極管申請量的兩倍，這反映出開發可靠的碳化矽MOSFET是何其艱難，特别是由于栅極氧化物結構的問題，”Rémi Comyn指出。這一點可以從大部分龍頭專利申請人的情況上得到證明，但三安光電和無錫新潔能除外，這兩家公司的專利活動最初是集中在碳化矽二極管上的(圖3)。“有趣的是，與塊狀碳化矽和碳化矽外延片相比，中國的知識産權企業在器件、子產品和電路上有更加緊密的合作網絡，尤其表現在研究機構和企業參與者之間”，Rémi Comyn補充道。
雖然中國在子產品和電路相關的專利活動上起步較晚(從2015年開始)，但已産出800多項發明。與碳化矽電路相關的專利活動得到了中國學術界的大力支援，如南京航空航天大學、華南理工大學和西安交通大學(圖2)。最為重要的是，為了滿足未來的電動車市場，中國功率子產品市場的的龍頭企業，斯達半導和宏微科技，也在2020/2021年進軍碳化矽專利領域。此外，成立于2020年的純碳化矽企業元山電子也在2021年公布了其第一個碳化矽功率子產品相關的專利，并将進一步鞏固其在中國國内供應鍊中的地位。
綜上所述，中國正在加速開展專利活動來支援碳化矽技術的發展，并且支援完整的國内供應鍊的出現、穩固其功率半導體生産線。中國專利申請人涵蓋了整個供應鍊，在每個環節上都有相對成熟的知識産權參與者，他們來自多樣化背景(學術界、企業界、代工廠、IDM，內建商、純研發等)，擁有密集的知識産權合作和轉讓網絡。是以，在供應鍊的大部分環節上，中國與國外供應商之間的技術差距有望縮小。
中國企業将更關注提高國内碳化矽産品的滲透率，而這個市場在過去主要是由外國企業主導。中國碳化矽企業得到了幾家受美國限制打擊的企業的支援，例如華為，後者已經在專利領域投資了幾家關鍵的國内企業(山東天嶽、東莞天域、瀚天天成等)來確定其未來的碳化矽供應。
在此背景下，考慮到國内的市場規模和由塊狀碳化矽生産能力低下帶來的瓶頸，中國碳化矽企業在征服海外新市場的路上任重而道遠。事實上，隻有不到3%的中國專利是在海外申請的。然而，通過比國内同行申請更多的國外專利，某些中國企業(如碳化矽襯底制造商山東天嶽)已經展露了他們的國際野心。