據(jù)預(yù)測，未來十年內(nèi)，電動車市場將保持兩位數(shù)增長。隨著電動車市場漸入佳境，碳化硅(SiC)功率器件前景廣闊。事實上，大多數(shù)電動車制造商正在整合或評估碳化硅功率器件在不同電動車系統(tǒng)中的使用，包括牽引逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器。此外，作為大規(guī)模推廣電動車所必須的快充基礎(chǔ)設(shè)施，碳化硅功率器件也是不錯的選擇。

 

據(jù)麥肯錫公司數(shù)據(jù)，中國已然是全球最大的電動車市場，從2020到2030年間，中國還將以24%的年增速保持最具活力市場的榜首。因此，中國已經(jīng)成為了主要碳化硅器件公司的頭號目標，例如意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)、Wolfspeed、羅姆半導(dǎo)體(Rohm Semiconductor)、英飛凌(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(mào)易戰(zhàn)撼動了中國的半導(dǎo)體行業(yè)，中國政府已敦促中方企業(yè)在最新和最具有戰(zhàn)略性的技術(shù)方面(包括碳化硅和氮化鎵)迎頭趕上，最終實現(xiàn)自給自足的目標。

 

在此背景下，Knowmade作為一家多年來跟蹤碳化硅專利情況的公司，將近期的研究重點放在改變中國新興碳化硅供應(yīng)鏈的中國企業(yè)上。

 

 

 

過去二十多年，日本企業(yè)在碳化硅專利數(shù)量上獨占鰲頭，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(fā)展，而中國的碳化硅專利活動自2010年代初興起，在過去十年增長迅猛。因此，從2018年起，中國專利申請人超越了日本專利申請人，獲得了碳化硅知識產(chǎn)權(quán)的領(lǐng)導(dǎo)地位(圖1)。另外，中國企業(yè)近幾年在專利申請上持續(xù)發(fā)力、追趕國外龍頭企業(yè)，而日本的專利活動從2013年起進入穩(wěn)定期，反映出日本碳化硅企業(yè)達到了高度的技術(shù)成熟。“一個有趣的現(xiàn)象是，中國的專利申請平均分布在材料(塊狀碳化硅、碳化硅外延片)和功率電器(碳化硅MOSFET和JFET等)之間，約一半的碳化硅材料發(fā)明集中在碳化硅生長的設(shè)備和工具上，這是所有新入場碳化硅裸晶圓業(yè)務(wù)都會面臨的第一個技術(shù)挑戰(zhàn)和障礙，”Rémi Comyn博士談到，他是Knowmade公司復(fù)合半導(dǎo)體和電子部門的技術(shù)和專利分析師。事實上，碳化硅生長技術(shù)并沒有統(tǒng)一的標準途徑，這是與硅生長技術(shù)不同的一點。

 

 

在圖2所示的功率型碳化硅供應(yīng)鏈上的中國專利申請人分類情況表明，目前供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)中已存在大量擁有知識產(chǎn)權(quán)的中國企業(yè)。例如，在塊狀碳化硅領(lǐng)域，中國電科研究所、山東大學(xué)和中科院(上海硅酸鹽研究所、物理研究所、半導(dǎo)體研究所)等研究機構(gòu)在中國率先開展了碳化硅晶體生長的研究，并推動了國內(nèi)工業(yè)企業(yè)的出現(xiàn)，如北京天科合達(成立于2006年)、山東天岳(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(chuàng)企業(yè)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(dǎo)體技術(shù)有限公司(山東大學(xué))。此外，幾家從事LED產(chǎn)品的藍寶石襯底開發(fā)和商品化的企業(yè)也進入塊狀碳化硅知識產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域，例如上海晶豐明源半導(dǎo)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產(chǎn)權(quán)參與者也進入了塊狀碳化硅專利領(lǐng)域。在中科院上海硅酸鹽研究所支持下，世紀金光于2012年建立其首條四英寸試點生產(chǎn)線，并于2016年和2017年獲得了北京華進創(chuàng)威電子在塊狀碳化硅領(lǐng)域擁有的至少17項專利發(fā)明的知識產(chǎn)權(quán)。

 

另一方面，三安光電(其碳化硅專利組合在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產(chǎn)業(yè)園建立生產(chǎn)平臺，覆蓋從塊狀碳化硅晶體生長到晶圓、功率器件、封裝和測試的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

 

 

在碳化硅功率器件專利領(lǐng)域中(圖3)，中國主要的專利權(quán)人是公共研究機構(gòu)(西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)和中科院微電子研究所)或國有企業(yè)(中國中車、國家電網(wǎng)和中國電科)。但是，例如基本半導(dǎo)體(成立于2009年)、北京世紀金光(2010年)和泰克天潤半導(dǎo)體科技(2011年)等幾家專門做碳化硅的企業(yè)現(xiàn)在已在知識產(chǎn)權(quán)版圖中站穩(wěn)腳跟。

 

另外，最近幾家從事功率半導(dǎo)體行業(yè)的公司也挺進了碳化硅器件專利版圖，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)。與塊狀碳化硅專利情況類似，初創(chuàng)企業(yè)源源不斷地從國內(nèi)的研究機構(gòu)涌現(xiàn)出來，例如國聯(lián)萬眾(成立于2015年，與中國電科掛鉤)、東莞清芯(成立于2018年，與西安交通大學(xué)掛鉤)、廈門紫硅(成立于2019年，與半導(dǎo)體研究所掛鉤)和中科漢韻半導(dǎo)體(成立于2019年，與中科院微電子研究所掛鉤)。派恩杰半導(dǎo)體是一家由北卡州立大學(xué)校友在2018年成立的初創(chuàng)企業(yè)，它在2019年高調(diào)進入碳化硅期間專利領(lǐng)域。這是一家從事碳化硅和氮化鎵功率器件設(shè)計的企業(yè)，主要依靠X-FAB生產(chǎn)碳化硅器件(用平面柵極MOSFET技術(shù))。這家無晶圓廠的企業(yè)在2021年9月開始大規(guī)模生產(chǎn)其第一批碳化硅晶圓。

 

“總體而言，中國的碳化硅MOSFET專利申請量是碳化硅二極管申請量的兩倍，這反映出開發(fā)可靠的碳化硅MOSFET是何其艱難，特別是由于柵極氧化物結(jié)構(gòu)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實，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硅二極管上的(圖3)。“有趣的是，與塊狀碳化硅和碳化硅外延片相比，中國的知識產(chǎn)權(quán)企業(yè)在器件、模塊和電路上有更加緊密的合作網(wǎng)絡(luò)，尤其表現(xiàn)在研究機構(gòu)和企業(yè)參與者之間”，Rémi Comyn補充道。

 

雖然中國在模塊和電路相關(guān)的專利活動上起步較晚(從2015年開始)，但已產(chǎn)出800多項發(fā)明。與碳化硅電路相關(guān)的專利活動得到了中國學(xué)術(shù)界的大力支持，如南京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)和西安交通大學(xué)(圖2)。最為重要的是，為了滿足未來的電動車市場，中國功率模塊市場的的龍頭企業(yè)，斯達半導(dǎo)和宏微科技，也在2020/2021年進軍碳化硅專利領(lǐng)域。此外，成立于2020年的純碳化硅企業(yè)元山電子也在2021年公布了其第一個碳化硅功率模塊相關(guān)的專利，并將進一步鞏固其在中國國內(nèi)供應(yīng)鏈中的地位。

 

綜上所述，中國正在加速開展專利活動來支持碳化硅技術(shù)的發(fā)展，并且支持完整的國內(nèi)供應(yīng)鏈的出現(xiàn)、穩(wěn)固其功率半導(dǎo)體生產(chǎn)線。中國專利申請人涵蓋了整個供應(yīng)鏈，在每個環(huán)節(jié)上都有相對成熟的知識產(chǎn)權(quán)參與者，他們來自多樣化背景(學(xué)術(shù)界、企業(yè)界、代工廠、IDM，集成商、純研發(fā)等)，擁有密集的知識產(chǎn)權(quán)合作和轉(zhuǎn)讓網(wǎng)絡(luò)。因此，在供應(yīng)鏈的大部分環(huán)節(jié)上，中國與國外供應(yīng)商之間的技術(shù)差距有望縮小。

 

中國企業(yè)將更關(guān)注提高國內(nèi)碳化硅產(chǎn)品的滲透率，而這個市場在過去主要是由外國企業(yè)主導(dǎo)。中國碳化硅企業(yè)得到了幾家受美國限制打擊的企業(yè)的支持，例如華為，后者已經(jīng)在專利領(lǐng)域投資了幾家關(guān)鍵的國內(nèi)企業(yè)(山東天岳、東莞天域、瀚天天成等)來確保其未來的碳化硅供應(yīng)。

 

在此背景下，考慮到國內(nèi)的市場規(guī)模和由塊狀碳化硅生產(chǎn)能力低下帶來的瓶頸，中國碳化硅企業(yè)在征服海外新市場的路上任重而道遠。事實上，只有不到3%的中國專利是在海外申請的。然而，通過比國內(nèi)同行申請更多的國外專利，某些中國企業(yè)(如碳化硅襯底制造商山東天岳)已經(jīng)展露了他們的國際野心。