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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[1]。

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

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

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

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

(一)　減輕碳化矽晶片彎曲
一般而言，碳化矽單晶外延膜可透過化學氣相沉積 (CVD) 法、昇華法等生長。然而，當半導體晶圓往大直徑的趨勢 (例如6吋或8吋) 時，透過該等外延生長方法而形成碳化矽膜的碳化矽襯底的彎曲問題就會愈來愈嚴重，超過幾十微米的大彎曲碳化矽襯底將會使後續精細圖案的形成更加困難。因此，ROHM集團旗下Oki Semiconductor (後更名LAPIS Semiconductor) 提供一種能夠減少半導體晶圓彎曲的方法專利[4]，如圖7所示，該方法可應用於具有碳化矽膜 (102) 之碳化矽襯底 (101)的半導體器件。其特徵為在碳化矽膜(102)中形成凹槽(grooves) (107)，且該凹槽107圍繞碳化矽膜(102)中的晶體缺陷集中區域 (crystal-defect concentrated region) (103)形成，藉以減輕碳化矽膜 (102) 的應力，以減少半導體晶圓的彎曲。此外，這些在碳化矽膜（102）生長過程中集中的晶體缺陷 (例如位錯dislocation)，可以進一步藉由凹槽的形成去除之。值得一提的是，此改善碳化矽半導體晶圓彎曲問題的方法專利，後續也被住友電工 (Sumitomo Electric Industries, Ltd.) 和飛思卡爾半導體 (Freescale Semiconductor) 的專利所引用[5]。

圖7. 具有凹槽之碳化矽膜之碳化矽襯底的半導體晶圓

圖片來源：美國專利US7718515B2圖式

(二)　碳化矽單晶晶格平面取向
磊晶層的品質取決於碳化矽單晶襯底的局部取向。為使昇華生長階段碳化矽晶種具備有利的晶格平面曲率，ROHM集團旗下子公司SiCrystal提供一種透過昇華生長製備碳化矽體積單晶(SiC volume monocrystal) 的專利[6]，該方法包括在生長過程中，透過將粉狀碳化矽源材料的昇華及其昇華的氣體成分輸送至晶體生長區域中而產生碳化矽生長氣相；具有中心縱向軸的碳化矽體積單晶透過從碳化矽生長氣相沉積在碳化矽晶種上進行生長；進行加熱階段彎曲碳化矽晶種，從而調整具有非均勻晶格平面的碳化矽晶體結構，每個點的晶格平面相對於中心縱向軸的方向有傾斜角度，並且碳化矽晶種的徑向邊緣處的周向傾斜角與中心縱向軸位置處的中心傾斜角在量上相差至少0.05°且至多0.2°。由於加熱階段引起碳化矽晶種晶格平面有利的曲率，有助於磊晶製程的品質提升。

圖8. 加熱階段使碳化矽晶種彎曲示意圖

圖片來源：美國專利US09590046B2圖式

(三)　低偏角碳化矽襯底之碳化矽外延生長技術
應用碳化矽的重要問題之一在於成本，且碳化矽器件中以晶圓所占的成本最高[7]。降低碳化矽襯底的偏角是一種降低碳化矽器件成本的方法，然而使用低偏角化襯底、難以高品質外延生長。因此，ROHM提出一種在低偏角碳化矽襯底上實現表面缺陷少，並能降低成本的碳化矽外延生長技術[8]。該碳化矽外延晶圓的特徵在於具備小於4度的低偏角襯底 (圖9)；以及配置在該襯底上的碳化矽外延生長層，其中該碳化矽外延生長層以Si化合物為Si的供給源，以C化合物為C的供給源，使載流子密度均勻性小於10％，且缺陷密度小於1個/cm2，所述Si化合物與所述C化合物之C/Si比具有0.7以上0.95以下的範圍 (圖10)。該專利申請專利範圍除主張碳化矽外延晶圓外，亦主張碳化矽外延晶圓的製造方法及碳化矽外延晶圓的製造裝置，藉此在相對高的生長溫度中能有效抑制階褶 (step bunching) 和三角缺陷密度的發生。

圖9. 以小於4度的偏角從碳化矽晶錠切割出碳化矽外延晶片的示意圖

圖片來源：美國專利US10876220B2圖式

圖10. 低偏角碳化矽襯底之碳化矽外延生長技術的最佳實施例示意圖

圖片來源：美國專利US10876220B2圖式

碳化矽功率半導體模組在新能源汽車上的應用，是今後業界的趨勢所在。為確保車電元件廠商的核心競爭力，ROHM大力支援中國新能源車驅動領域的臻驅科技 (上海) 有限公司[9]，並於2020年6月9日攜手宣佈在中國（上海）自由貿易區成立「碳化矽技術聯合實驗室」，希望透過ROHM的碳化矽技術加強雙方合作關係，攜手推動車電功率模組和逆變器的研發，推出以碳化矽為主的創新電源解決方案。

日本Rohm旗下的SiCrystal和美國的Cree、II-VI合計佔據了全球碳化矽晶片90%的出貨量，上游晶片襯底基本上已被美、日大廠壟斷，半導體元件巨頭紛紛與這些碳化矽晶圓材料廠簽訂長約，以滿足市場對碳化矽功率元件日益成長的需求。為確保電動汽車市場穩定供應碳化矽，羅姆集團旗下在歐洲碳化矽晶圓市佔率第一的SiCrystal公司，於2020年1月宣布和意法半導體 (STMicroelectronics，ST) 簽訂碳化矽晶圓長期供應協議，協議向意法半導體提供總價超過1.2億美元之先進150mm(6吋)碳化矽晶片。雙方合作確保所需的SiC晶圓產量，並達到供需平衡，滿足未來幾年在汽車和工業上商用化的市場需求。

基於碳化矽技術本身的複雜性與創新難度，目前在價格上仍將與矽基元件保持適當的差距。而從羅姆集團與意法強化合作來看，也代表碳化矽未來可望更為普及。長遠來看，SiC碳化矽和GaN等化合物半導體售價終將趨於親民。

任苙萍，ST：掌握複雜製程專利效能、可靠擺第一！CompoTech Asia，電子與電腦11月號產業特輯，2020年11月12日，頁21-23，http://www.compotechasia.com/a/feature/2020/1112/46359.html
截至2021年6月16日止，ROHM集團在碳化矽半導體材料方面的專利組合，經篩選與碳化矽襯底及其磊晶技術相關的專利共40案(Count by INPADOC family)，合計132件專利。
ROHM集團旗下LAPIS Semiconductor是一家在數位通信市場方面領先的矽晶片解決方案供應商，在半導體技術開發及產品製造方面擁有豐富的專業技術和經驗，其前身為Oki Semiconductor Co. Ltd.，之後分離重組於2011年更名為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.
碳化矽半導體元件的成本明細中，晶圓約占50％，SiC磊晶生長約22％，製造工藝約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.
臻驅科技成立於2017年，專攻新能源汽車動力解決方案，是一家供應搭載先端半導體元件的功率模組和馬達逆變器的高科技公司。臻驅科技在碳化矽材料上也擁有深厚的技術成就，擁有100多項國際專利，累積超過十年以上的碳化矽模組和系統開發經驗，在新能源、電能轉換及功率電子三大領域中，擁有具國際水準的技術研發能力。