小米SU7 图/王欣
碳化硅功率器件面临的问题也是“中国芯”发展过程中所面临的问题。坚持技术自立自强，攻克工艺和器件的难关，提高成品率和工艺稳定性是必经之路。
自小米公司正式发布小米SU7后，其热度持续不减，甚至把在舆论上沉寂已久的碳化硅也推上了市场关注的焦点。
小米SU7搭载了全新超级800V碳化硅高压平台，峰值电压可以高达871V，该800V碳化硅高压平台搭载了来自英飞凌的碳化硅模组和芯片产品。其实早在2018年，特斯拉就正式扣响了碳化硅“上车”的“发令枪”，率先在Model3上，采用了650V碳化硅MOSFET器件。随着小米SU7发布，碳化硅器件再次“上车”，引发了人们的广泛关注，
自碳化硅“上车”之后，业内悄然形成的认知是：用了碳化硅功率器件的车型,大多被打上了高性能、高端的标签。这是因为碳化硅器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度，大大降低了器件的导通损耗。与硅基相比，碳化硅器件可以设计成更小的体积，约为硅基器件的1/10，并且可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。体积做得越来越小，性能越来越好，碳化硅在低功耗、小型化和高频化的应用场景中的优势愈发明显。
国外龙头企业提前布局
国外功率器件的龙头企业英飞凌早在2022年底，就推出了全新车规功率模块HybridPACK™Drive CoolSiC™，搭载了来自英飞凌的CoolSiC™沟槽栅MOSFET技术，进一步提高了逆变器的效率，实现更高的续航里程并降低电池成本，适用于800V电池系统及更高电池容量的电动汽车。
那么英飞凌相关的碳化硅器件专利布局情况是怎么样的呢？能否在专利中找到技术的奥秘呢？
首先，我们来分析一下英飞凌在全球主要国家或地区的专利布局情况。由于前期布局专利较少，从2009年开始，英飞凌的碳化硅器件的相关专利主要布局在美国、德国、中国。此后，每年英飞凌在不同的国家和地区均有专利布局，并且以美国作为申请布局的主要国家，中国布局的专利数量仅次于本土德国布局的专利数量，从中可以看出英飞凌对美国和中国市场的重视。
通过对英飞凌的所有碳化硅器件专利进行筛选和分析，可以找到具有沟槽栅的碳化硅功率器件的相关专利。于2003年9月18日申请的专利US7091573B2（发明名称为Power transistor），具有5个专利同族，被其他专利引用次数达到了190多次，可见该专利是英飞凌早期的核心专利。该专利公开的碳化硅的沟槽功率晶体管中，沟槽内栅电极的下边缘具有非水平轮廓（具有一定角度），栅电极的下边缘相对于漂移区和沟道区之间的PN结太深。由该角度产生的电介质层的较大层厚，减小了栅电极下部区域中的栅/漏电容。同样早期的专利还有US6903416B2（申请日为2003年9月29日，发明名称为Trench transistors and methods for fabricating trench transistors），该专利公开的碳化硅沟槽栅晶体管中，用于形成沟槽的自对准工艺步骤，便于后续形成横向的源极区和漏极区，能够显著地减小特征尺寸，可以避免由位于沟槽区域中的较低水平的表面引起的侧壁注入的不利影响。
通过对专利进一步分析可以看出，前期英飞凌的碳化硅沟槽栅功率器件的专利主要集中在沟槽刻蚀工艺、沟槽形状改进等，而后续专利布局中陆续出现了降低碳化硅沟槽栅器件的导通损耗（专利号US8587059B2，申请日为2011年4月22日）、降低沟槽栅器件的导通电阻（专利号US8823089B2，申请日为2011年4月15日）、提高功率器件的耐压性能（专利号US9496346B2，申请日为2015年12月18日）、设置保护结构以提高器件的稳定性（专利号US10153339B2，申请日为2017年9月19日）、提高功率器件散热性能（专利号CN114823562A、申请日为2022年1月19日）等等，可以看出英飞凌对产品进行了多角度、多技术路线的保护，以达到不同的技术效果。
通过对专利的筛选以及和官网宣传的产品特征进行对比可以看出，英飞凌官网宣传的CoolSiC™产品均有相应的专利进行保护，并且针对不同的技术问题进行了多角度的保护，包括降低导通电阻（损耗）、提高耐压（击穿电压）、沟槽的自对准工艺、沟槽刻蚀工艺、提高功率器件可靠性、提高散热性等方面。进一步对其专利进行分析可以发现，英飞凌专利权利要求范围概括较大，多从微观、原理方面进行阐述，以获得很大的保护范围。这对后续进入该领域的企业有很大的威胁。
国内碳化硅功率器件如何破局
近年，得益于新能源汽车等应用快速普及，碳化硅市场需求持续高涨。
集邦咨询（TrendForce）提供的数据显示，2023年整体碳化硅功率器件市场规模将达22.8亿美元，年增长41.4%。与此同时，受惠于下游应用市场的强劲需求，至2026年碳化硅功率器件市场规模可望达到53.3亿美元，其主流应用仍倚重电动汽车及可再生能源。
面对如此巨大的碳化硅市场，国内也涌现出一批企业对碳化硅功率器件进行研发和生产，比如三安光电、比亚迪、中车、泰科天润、基本半导体、士兰微、华润微电子、扬杰电子科技等，通过对比这些企业的碳化硅功率器件的专利申请年份及专利申请数量（图一所示），可以看出，整体上国内企业的专利申请数量并不多，而且布局的时间大部分都是最近十年（2013年之后的专利申请占绝大部分），虽然各个企业最近几年每年都有一定数量的专利申请，但每年各个企业相关专利申请数量大部分都是在10件以下。而通过对比国内企业的碳化硅功率器件的相关专利申请布局的区域，可以看出国内企业的专利布局还是以国内为主，偶尔有一些专利进行了国外的布局，但数量占比较少。
通过进一步分析国内企业布局的碳化硅功率器件专利，可以看出，这些专利主要集中在低导通电阻或低损耗、提高耐压、控制阈值电压、提高器件稳定性、沟槽刻蚀工艺改进和器件模拟分析等，总体来看，国内企业布局的碳化硅功率器件的关注点与国际龙头厂商类似，但由于布局时间较晚且总体数量不多，专利布局难度较大。
碳化硅功率器件面临的问题也是“中国芯”发展过程中所面临的问题，如何破局是近些年来科研人员和技术人员一直追求的目标。除了政策扶持和借鉴国外经验发展之外，坚持技术自立自强，攻克工艺和器件的难关（比如碳化硅刻蚀、掺杂工艺、欧姆接触问题等），提高成品率和工艺稳定性是必经之路。
从专利的角度来说，要注意国外巨头的专利阻击，提前对核心产品做好可能侵权的专利风险排查，对侵权风险较高的专利提前做好风险预案（如规避设计、提前储备专利无效的证据或提前做好专利许可的谈判等）；另一方面还要对核心的技术提前做好专利布局，好的专利布局不是单一的专利申请，而是要进行多方位、多角度的专利申请，扎好专利“围墙”，并且针对目标市场适当在国外也进行专利布局，以提高抗风险的能力。
总之，国内的碳化硅功率器件企业除了要提升技术上的“硬实力”，还要提升专利布局和专利风险应对的“软实力”，以应对新能源汽车发展带来的碳化硅器件市场的持续高涨。R
（作者单位：江苏第三代半导体研究院有限公司）
（文章来源：《创意世界》2024年6月号）
编校：苑宝平，审读：郭丽
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