氮化鎵材料專利計(jì)量分析及啟示

陳欣 董璐 陳樞舒 鄭菲

氮化鎵（Gallium Nitride， GaN）基半導(dǎo)體材料是繼硅和砷化鎵基材料后的新一代半導(dǎo)體材料，被稱為第3代半導(dǎo)體材料。氮化鎵材料由于具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、介電常數(shù)小、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等獨(dú)特的特性，在光電子器件和高溫、高頻大功率電子等微電子器件領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1.2]。

氮化鎵材料的應(yīng)用首先是在發(fā)光器件領(lǐng)域取得重大突破的。1991年，日本日亞公司（Nichia）首先研制成功以藍(lán)寶石為襯底的GaN藍(lán)光發(fā)光二極管（LED），之后實(shí)現(xiàn)GaN基藍(lán)、綠光LED的商品化。GaN基LED的成功引發(fā)了光電行業(yè)中的革命，發(fā)出藍(lán)光和紫外線的氮化鎵激光器也被用于高密度的DVD內(nèi)，大大促進(jìn)了音樂、圖片和電影存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。利用GaN材料，還可以制備紫外光探測(cè)器，它在火焰?zhèn)鞲?、臭氧檢測(cè)、激光探測(cè)器等方面具有廣泛應(yīng)用。

在電子器件方面，利用GaN材料可制備高頻、大功率電子器件，有望在航空航天、高溫輻射環(huán)境、雷達(dá)與通信等方面發(fā)揮重要作用。例如在航空航天領(lǐng)域，高性能的軍事飛行裝備需要能夠在高溫下工作的傳感器、電子控制系統(tǒng)以及功率電子器件等，以提高飛行的可靠性，GaN基電子器件將起著重要作用，此外由于它在高溫工作時(shí)無需制冷器而大大簡化電子系統(tǒng)，減輕飛行質(zhì)量。

本文擬從專利計(jì)量分析的角度，揭示GaN領(lǐng)域的專利活動(dòng)現(xiàn)狀和區(qū)域布局情況，并對(duì)氮化鎵材料所涉及的技術(shù)領(lǐng)域、核心技術(shù)進(jìn)行初探，對(duì)國內(nèi)外重點(diǎn)研發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析比較，為科技決策和課題研究提供參考。專利數(shù)據(jù)來源于美國湯森路透科技公司（Thomson Reuters Scientific）的DII（Derwent Innovation Index）數(shù)據(jù)庫，檢索日期為2015年6月30日。

一、氮化鎵專利時(shí)間及區(qū)域分布

GaN專利申請(qǐng)已有50多年歷史，最早是1963年由美國柯達(dá)公司申請(qǐng)的。遺憾的是，由于受到?jīng)]有合適的單晶襯底材料、位錯(cuò)密度較大、n型本底濃度太高和無法實(shí)現(xiàn)p型摻雜等問題的困擾，氮化鎵曾被認(rèn)為是一種沒有希望的材料，因而發(fā)展十分緩慢。

直到1989年，松下電器公司東京研究所的赤崎勇和弟子天野浩在全球首次實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光LED；1993年，在日本日亞化學(xué)工業(yè)公司（Nichia）當(dāng)技術(shù)員的中村修二用4年時(shí)間克服了2個(gè)重大材料制備工藝難題：高質(zhì)量GaN薄膜的生長和GaN空穴導(dǎo)電的調(diào)控，獨(dú)立研發(fā)出了大量生產(chǎn)GaN晶體的技術(shù)，并成功制成了高亮度藍(lán)色LED。因此，20世紀(jì)90年代后，隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善，GaN基器件的發(fā)展十分迅速，專利數(shù)量快速增長，進(jìn)入發(fā)展的黃金時(shí)期，GaN成為寬帶隙半導(dǎo)體材料中一顆十分耀眼的新星。

2006-2009年，氮化鎵專利數(shù)量的增長較為緩慢，甚至出現(xiàn)專利量減少的情況（2009年），但2010年之后，專利數(shù)量又急劇增加，這種變化可能顯示在該時(shí)間曾經(jīng)出現(xiàn)了一個(gè)技術(shù)上的突破或者關(guān)鍵進(jìn)展（詳見圖1所示）。由此來看，GaN專利在未來幾年內(nèi)可能還會(huì)保持快速增長的趨勢(shì)。

全球有40多個(gè)國家/地區(qū)在GaN領(lǐng)域有專利申請(qǐng)，但大部分專利掌握在4個(gè)國家手中，其專利數(shù)量占據(jù)了全球?qū)＠偭康?0%之多，分別是日本（38%）、美國（21%）、中國（16%）、韓國（15%），其中美國和日本對(duì)GaN的研究起步較早。20世紀(jì)90年代左右，日本率先克服了GaN材料制備工藝中的難題，掌握了生產(chǎn)高質(zhì)量GaN薄膜的技術(shù)，隨后引發(fā)了GaN領(lǐng)域的研究熱潮，專利數(shù)量急劇增加；美國則比日本晚了5年左右，但隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，美國與日本的差距逐漸減小，2010年美國的專利數(shù)量趕超了日本，之后的年度專利發(fā)表數(shù)量均超過日本。中國和韓國在20世紀(jì)90年代以后才有專利申請(qǐng)，由于此時(shí)技術(shù)上已經(jīng)突破了瓶頸，因此專利數(shù)量增長較快，逐漸在國際上占據(jù)了一席之地。

對(duì)專利家族的分析表明，4大主要專利來源國在國際市場(chǎng)均有不同程度的專利布局，日本在美國的專利申請(qǐng)比例高達(dá)34.5%，美國在WO和日本的專利申請(qǐng)比例分別達(dá)到37.4%和 24.9%，韓國在美國的專利申請(qǐng)比例高達(dá)48.1%。中國在國際市場(chǎng)雖然也有一定的專利布局，但比例與其他3個(gè)國家相差較遠(yuǎn)，在美國的專利申請(qǐng)比例僅有9%。

二、氮化鎵專利技術(shù)布局

基于德溫特手工代碼（Derwent Manual Code，MC）的清洗和統(tǒng)計(jì)，主要從器件類型和加工工藝2個(gè)方面，對(duì)氮化鎵專利涉及的主要技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行分析。

1.器件類型

氮化鎵專利涉及到的器件類型主要有發(fā)光二極管（LED）、場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）、激光二極管（LD）、二極管（Diodes）、太陽能電池（Solar cells）等。氮化鎵是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，能與氮化銦（InN）和氮化鋁（AlN）形成三元或四元化合物，通過改變III族元素的比例，可使發(fā)光波長覆蓋紅色到紫外的光譜范圍，另外將發(fā)藍(lán)光的氮化鎵基發(fā)光二極管摻雜可激發(fā)出黃綠光的熒光粉，可以發(fā)出混合白光，應(yīng)用前景非常廣泛，因此大量專利對(duì)氮化鎵LED進(jìn)行研究，共涉及1萬多項(xiàng)專利。GaN專利器件布局情況詳見圖2所示。FET涉及4 424項(xiàng)專利，主要類型有：絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）、高電子遷移率晶體管（HEMT）、金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、雙極性晶體管（bipolar transistors）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MISFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。激光二極管也是研究較多的器件類型，其專利數(shù)量有3 678項(xiàng)，僅次于FET。涉及二極管的專利共有1 151項(xiàng)，主要有整流二極管（rectifier diodes，661項(xiàng)）、光電二極管（photodiodes，184項(xiàng)）等。

2.加工工藝

GaN專利中的器件加工技術(shù)主要涉及：沉積方法、外延生長、刻蝕、摻雜、歐姆接觸、封裝、退火等。其中沉積方法主要是化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD），共涉及1 000余項(xiàng)專利，外延生長大都用CVD方法?？涛g工藝主要有光刻蝕（332項(xiàng)）、化學(xué)刻蝕（281項(xiàng)）、等離子刻蝕（192項(xiàng)）、離子束刻蝕（34項(xiàng)）等。歐姆接觸在金屬處理中應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)的主要措施是在半導(dǎo)體表面層進(jìn)行高摻雜或者引入大量復(fù)合中心，所用方法主要是離子注入（351項(xiàng)）。

通過TI的專利地圖功能，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)專利技術(shù)領(lǐng)域的分析。GaN的應(yīng)用領(lǐng)域主要是LED、FET、LD、太陽能電池、功率器件等方面，與MC分析結(jié)果基本一致。LED和FET是熱點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域，其中FET的專利主要是對(duì)高電子遷移率晶體管（HEMT）的研究。技術(shù)層面主要涉及半導(dǎo)體單晶生長、歐姆接觸、封裝、刻蝕等，其中半導(dǎo)體單晶生長是熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，目前常用的方法是金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD），也稱金屬有機(jī)物氣相外延（MOVPE）。根據(jù)上文對(duì)MC的分析，結(jié)合TI專利地圖以及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[3，4]，可以得到以下GaN核心技術(shù)領(lǐng)域：GaN外延生長、p型摻雜、歐姆接觸、刻蝕工藝等。

三、氮化鎵重點(diǎn)研發(fā)機(jī)構(gòu)

全球?qū)＠暾?qǐng)量排名前15位的專利權(quán)人中，日本機(jī)構(gòu)有11家，分別是住友集團(tuán)（以下簡稱“住友”）、松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社（以下簡稱“松下”）、三菱集團(tuán)（以下簡稱“三菱”）、夏普公司（以下簡稱“夏普”）、東芝集團(tuán)（以下簡稱“東芝”）、豐田汽車公司（以下簡稱“豐田”）、索尼公司（以下簡稱“索尼”）、富士通株式會(huì)社（以下簡稱“富士通”）、株式會(huì)社日立制作所（以下簡稱“日立”）、日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社（以下簡稱“日亞化學(xué)”）、羅姆半導(dǎo)體集團(tuán)；韓國共2家，分別是三星集團(tuán)和LG集團(tuán)；中國的中國科學(xué)院（以下簡稱“中科院”）（第6位）和美國的加利福尼亞大學(xué)（以下簡稱“加州大學(xué)”）也進(jìn)入前15位，詳見圖3所示。除中國和美國的專利權(quán)人為科研院所/高校外，其他Top 15的專利權(quán)人均為企業(yè)，基本是全球知名的電器及電子公司或大型企業(yè)集團(tuán)。由此看出，GaN領(lǐng)域的專利較為集中的掌握在一些有影響力的機(jī)構(gòu)手中，而由機(jī)構(gòu)近3年的專利百分比來看，Top 15的機(jī)構(gòu)均保持了較為活躍的研發(fā)狀態(tài)，其中中科院、三菱、富士通、加州大學(xué)、東芝、LG近3年的專利百分比都在20%以上。

用TDA（Thomson Data Analyzer）對(duì)全球?qū)＠麛?shù)量Top 30的專利權(quán)人進(jìn)行了合作情況分析，發(fā)現(xiàn)日本各機(jī)構(gòu)之間的合作甚為密切，如表1所示，而歐美的專利權(quán)人與Top 30其他機(jī)構(gòu)之間的合作并不密切。中國大陸進(jìn)入Top 30的機(jī)構(gòu)有中科院和西安電子科技大學(xué)，但只有中科院與日本索尼公司有一項(xiàng)專利合作；臺(tái)灣地區(qū)的Epistar、臺(tái)灣半導(dǎo)體公司和臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院也在Top 30，臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院分別與日本昭和株式會(huì)社（以下簡稱“昭和”）、美國科銳公司以及臺(tái)灣Epistar有不同程度的合作。

國內(nèi)專利數(shù)量Top 10的專利權(quán)人如下：中科院、鴻海精密集團(tuán)（富士康）、西安電子科技大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、三安光電、北京大學(xué)、南京大學(xué)、湘能華磊光電股份有限公司、上海藍(lán)光科技有限公司、清華大學(xué)，公司和高校/科研機(jī)構(gòu)的數(shù)量相當(dāng)。其中中科院、北京大學(xué)、南京大學(xué)進(jìn)入該領(lǐng)域的時(shí)間較早（20世紀(jì)90年代中后期），而企業(yè)則相對(duì)較晚。不同機(jī)構(gòu)從事的技術(shù)領(lǐng)域各有偏重，西安電子科技大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所主要研究領(lǐng)域?yàn)镕ET，其他8家機(jī)構(gòu)則偏重LED的研究。

中科院共有28個(gè)中科院機(jī)構(gòu)申請(qǐng)了氮化鎵專利，主要研究所有：半導(dǎo)體研究所、微電子研究所、蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、上海技術(shù)物理研究所等。從專利角度來看，半導(dǎo)體研究所實(shí)力最為雄厚，專利數(shù)量為305項(xiàng)，主要布局在LED領(lǐng)域，電極、外延生長、沉積、介電層等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都有較多的專利。半導(dǎo)體研究所也是較早開始氮化鎵研究的研究所之一，1999年就有相關(guān)專利申請(qǐng)。中科院機(jī)構(gòu)中排名第2的微電子研究所共有90項(xiàng)專利，自2004年開始有專利申請(qǐng)，主要布局在FET領(lǐng)域，對(duì)電極、介電層的研究較多。

四、氮化鎵高價(jià)值專利分析

專利強(qiáng)度是Innography獨(dú)創(chuàng)的專利評(píng)價(jià)新指標(biāo)，通過專利被引頻次、訴訟、權(quán)利要求、PTO時(shí)效、法律狀態(tài)、同族專利數(shù)量等計(jì)算得出綜合強(qiáng)度，可以對(duì)專利進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而有效尋找核心專利。Top 10高價(jià)值專利的專利強(qiáng)度均在9級(jí)以上，其中有8項(xiàng)都是美國科銳公司所有，其余2項(xiàng)分別是德國歐司朗和日本日亞化學(xué)申請(qǐng)。這3家公司并不是GaN研發(fā)最早的機(jī)構(gòu)，在專利數(shù)量上也并沒有絕對(duì)領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)，專利數(shù)量國際排名處于10～20位，卻掌握著高價(jià)值核心專利，且技術(shù)大都來源于自主研發(fā)。這10項(xiàng)專利大都布局在LED領(lǐng)域，其中科銳公司有較多涉及白光LED的專利。

對(duì)專利強(qiáng)度在9級(jí)以上的專利進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)美國專利占60%以上，處于絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)；日本約占20%，排名第2；我國僅占0.7%左右，共有8項(xiàng)專利，其中香港科技大學(xué)4項(xiàng)、臺(tái)灣臺(tái)達(dá)集團(tuán)2項(xiàng)，大陸僅有2項(xiàng)專利，分別是西安捷威半導(dǎo)體有限公司申請(qǐng)的“一種增強(qiáng)型氮化鎵HEMT器件結(jié)構(gòu)”和江西晶能光電有限公司的“含有碳基襯底的銦鎵鋁氮發(fā)光器件以及其制造方法”。對(duì)我國GaN專利強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)約71%的專利強(qiáng)度在1級(jí)以下，而專利強(qiáng)度在5級(jí)以上的專利僅占3%左右，可見我國的專利在國際上影響力較低，專利質(zhì)量有待提高，詳見圖4所示。

五、建議

通過對(duì)GaN領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，并借助分析工具對(duì)專利進(jìn)行計(jì)量分析，得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：①GaN領(lǐng)域的研究受到多個(gè)國家的重視，其中日本、美國不僅專利數(shù)量排名世界前列，還掌握了較多GaN核心技術(shù)，有較高的專利質(zhì)量和國際影響力；相比之下，我國雖然專利數(shù)量排名第3位，但專利質(zhì)量和國際影響力仍有待提升；②從技術(shù)領(lǐng)域布局來看，LED領(lǐng)域的專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他領(lǐng)域，其次是FET和LD領(lǐng)域，在二極管和太陽能電池領(lǐng)域也有一定布局；氮化鎵外延生長、摻雜、歐姆接觸、刻蝕等工藝是GaN器件加工過程中的關(guān)鍵技術(shù)；③GaN專利較為集中地掌握在全球知名的電器及電子公司手中，日本和美國的一些機(jī)構(gòu)有較強(qiáng)的國際競爭力，美國科銳公司掌握了較多高價(jià)值專利；我國中科院的專利數(shù)量在國際排名前列；日本一些機(jī)構(gòu)之間保持了較密切的合作關(guān)系，而我國各機(jī)構(gòu)之間的合作并不密切。

針對(duì)上述調(diào)研和分析，為了提升我國在氮化鎵領(lǐng)域的國際競爭力，提出以下幾點(diǎn)建議：

①鼓勵(lì)自主創(chuàng)新，加強(qiáng)GaN核心技術(shù)攻關(guān)，集中研發(fā)資源申請(qǐng)高技術(shù)含量的專利，提高專利質(zhì)量；同時(shí)引進(jìn)國外先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備和工藝，協(xié)調(diào)好技術(shù)引進(jìn)與自主研發(fā)之間的矛盾，加快技術(shù)進(jìn)步；②加強(qiáng)國際合作，尤其是與國際知名機(jī)構(gòu)的合作；重視專利在國際市場(chǎng)的保護(hù)，提高研發(fā)實(shí)力和國際影響力；③制定優(yōu)惠政策和獎(jiǎng)勵(lì)措施，創(chuàng)造良好的研發(fā)環(huán)境，加強(qiáng)政府引導(dǎo)，對(duì)瓶頸技術(shù)進(jìn)行集中攻關(guān)，尋求產(chǎn)業(yè)發(fā)展突破口。

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