超结中国专利技术综述

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 周天微 王 琳

超结中国专利技术综述

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 周天微 王 琳

超结结构突破了传统功率MOS器件的理论极限，被誉为功率MOS器件的里程碑器件。本文对超结领域中国的相关专利技术进行分析，从申请趋势、主要申请人、法律状态、技术效果等多个角度进行深入挖掘，梳理超结技术的现状及发展趋势。

超结；法律状态；技术效果

功率MOSFET主要用作开关器件,其开关功耗相对较小，通态功耗则比较高,而要降低通态功耗,就必须减小导通电阻Ron。但是,击穿电压和导通电阻始终是一对矛盾。按照传统理论器件的特征导通电阻受击穿电压的限制存在一个极限,即“硅极限”。

1984年，飞利浦美国公司第一次给出了在横向高压MOSFET中采用交替排列的PN结构代替传统功率器件中的低掺杂漂移层作为电压支持层的方法；1991年,电子科技大学的陈星弼教授提出在纵向功率器件中用多个PN结构作为漂移层的思想,并把这种结构称为“复合缓冲层”；1997年,Tatsuhiko等人对这一思想的进行了系统总结，提出了“超结理论”[1]。超结结构突破了传统功率MOS器件的理论极限，被誉为功率MOS器件的里程碑器件[2-3]。

截至2017年5月1日，在中国专利数据库（CNABS）中检索并经过人工筛选后得到超结的全球专利申请共计919件，以此作为本文专利分析的数据样本。

1.申请趋势

从图中可以看出，1991年电子科技大学的陈星弼院士提出“复合缓冲层”；在2008年以前，超结申请量非常少，尚处于萌芽状态，并未引起足够的关注；从2009年开始国内超结的专利申请量快速增长，2012年年申请量达到174件，说明超结结构吸引了越来越多业界的目光；2013年以后略有下降，但仍然保持较高的申请量。国内申请人占比较大，达70%，国外申请人占30%，说明国内申请人重视超结技术的本国布局。

图1 中国专利申请趋势

2.申请人排名

申请量排名前12位的申请人中有7家是中国的公司、大学和个人，表明中国对于超结技术的重视程度。国外申请人中日本公司占了大半，说明日本公司在该领域具有大的优势。申请量最多的是上海华虹宏力公司，为159件，在2009年首次提出该领域的申请，虽然对该领域的涉猎较晚，但对超结的研究很有热情，申请量增长很快；排名第二的是英飞凌，为65件，对于超结的研究较早，而且掌握多项核心专利；排名第三的是电子科技大学，为57件，电子科技大学对超结的研究起步比较早，但是由于超结器件工艺要求高，而国内工艺水平较弱，因此初期的研究大都仅限于理论或软件仿真；值得注意的是，排名第四的是个人申请，为53件，占了相当大的比例。

3.法律状态分布

超结结构的申请中有效申请即授权占比将近45%；失效申请占比17%，其中视撤比例为10%，驳回和授权后放弃比例各为2%，权利终止比例为3%；实审未决的比例很大，占37%。在审结的案件中，授权比例高达72%，驳回比例很低，说明超结方面的专利申请技术领先。

图2 中国专利申请法律状态分布图

4.重要申请人的技术效果时间分布

超结结构的制备工艺方法主要包括四种：（1）多次外延与注入法；（2）多次高能离子注入法；（3）深沟槽填充P外延层法；（4）深沟槽侧壁倾斜注入法。

申请量排名第一的华虹宏力公司，在159件专利申请中有131件申请采用深沟槽填充p型外延层方法制备超结。这些申请中涉及的主要专利技术效果方向包括提高击穿电压VB、降低导通电阻Ron、降低沟槽填充空洞以及提高抗过冲电流能力等4个方向。

图3 华虹宏力公司采用深沟槽填充p型外延层法制备超结中的技术效果分布

在所有技术效果方向中，降低导通电阻Ron和降低沟槽填充空洞是最早出现的，且由于采用深沟槽填充p型外延层方法制备超结，对沟槽的高深宽要求比较高，因此在深沟槽中外延时，可能导致沟槽内部不能被p型外延填满，产生空洞。因此初期对于如何降低沟槽填充产生的空洞进行了较多的研究；另外，提出超结结构的目的是为了改善导通电阻和击穿电压的矛盾关系，因此研究提高击穿电压和降低导通电阻的技术效果的申请量比较高，也是目前研究的重点；此外，在终端保护结构中设置PN柱，能够保证在器件关断时电流不过冲，提高器件的抗电流过冲能力，此技术效果方向申请量相对较少。

5.结语

本文对超结领域的专利进行了分析，发现中国大多数申请人在超结领域的研究起步较晚，但随着专利申请量的逐年增加，在保持追赶的同时缩小了和国外的差距；同时排名第一的华虹宏力公司在制备超结的工艺方法和技术效果上已经进行了一定数量的专利布局，国内企业应当考虑自身特点，发挥技术优势，合理制定专利申请策略和展开布局。

[1]Fujihira T．Theory of semiconductor superjunction devices．Jpn J Appl Phys,1997,36:6254-6262．

[2]Lorenz L,Deboy G,Knapp A,et al．COOLMOS-a new milestone in high voltage power MOS．In:IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs．Tornoto:IEEE Press,1999:3-10．

[3]陈星弼．超结器件[J]．电力电子技术,2008,42(12):2-7．