國際碳化硅功率器件專利布局對(duì)我國新材料產(chǎn)業(yè)的啟示

何鈞 龍翔

我國是電子制造業(yè)大國，但能源相對(duì)貧乏，能耗世界第1，人口數(shù)量世界第1。這些特點(diǎn)決定了我國可能超越美國、日本、歐洲，成為全球新一代功率器件產(chǎn)業(yè)最重要的市場(chǎng)。國外企業(yè)在中國市場(chǎng)的專利布局，一定程度上反映該企業(yè)對(duì)這個(gè)市場(chǎng)的評(píng)估和展望。通過分析，可以看到該領(lǐng)域大多數(shù)國際知名企業(yè)在其他市場(chǎng)申請(qǐng)相關(guān)專利的同時(shí)，都會(huì)通過《專利共享?xiàng)l約（PCT）》機(jī)制同時(shí)覆蓋中國市場(chǎng)。當(dāng)然也有一些明顯的例外。

一、基本方法

本文考察的時(shí)段是從1998年初至2016年3月1日止，中國大陸（統(tǒng)計(jì)不含臺(tái)灣、香港和澳門地區(qū)）碳化硅功率器件相關(guān)技術(shù)（含襯底晶體，外延，器件，模塊和系統(tǒng)等）的專利申請(qǐng)情況。原因如下：

一是我國在這一領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上與國際前沿有明顯的差距，專利制度相對(duì)不夠完善。盡管我國專利申請(qǐng)和維護(hù)的成本較低，但是相關(guān)專利數(shù)目依然不多，因此可以分析較長時(shí)間范圍內(nèi)的專利申請(qǐng)案。

二是20世紀(jì)末，正是歐美工業(yè)界碳化硅研究熱潮結(jié)束的時(shí)間。由于材料技術(shù)發(fā)展不如初始預(yù)期，當(dāng)時(shí)很多國際知名公司放棄了相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目，解散了研發(fā)團(tuán)隊(duì)。從20世紀(jì)末到今天，是一個(gè)低潮-積累-技術(shù)成熟-市場(chǎng)爆發(fā)的新周期?？疾爝@一完整周期的專利申請(qǐng)情況，有特別的意義。

三是這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)申請(qǐng)獲得授權(quán)的專利，除去因放棄訴訟等原因失效的一部分之外，目前仍然在有效期。因此它們成為我國計(jì)劃進(jìn)入這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的從業(yè)者面臨的專利壁壘。整體全面考察相關(guān)領(lǐng)域的專利布局，有重要的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)意義。

本文所指的碳化硅功率器件技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)，是指中國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局?jǐn)?shù)據(jù)庫中，在名稱、摘要和權(quán)利要求中包括“碳化硅”、“Silicon carbide”和“SiC”字眼，并且內(nèi)容經(jīng)確為功率器件相關(guān)的專利申請(qǐng)。一般認(rèn)為，碳化硅功率器件主要是基于獨(dú)特的材料特性，其技術(shù)挑戰(zhàn)與傳統(tǒng)的硅器件有顯著的不同，甚至也明顯不同于基于另一個(gè)重要寬禁帶半導(dǎo)體材料——硅基氮化鎵（GaN on Si）功率器件技術(shù)，因此在很多情況下，故意回避具體的“碳化硅”字眼以求得到更泛化的技術(shù)覆蓋范圍并無實(shí)質(zhì)意義。

筆者認(rèn)為，在題目和摘要中檢索“Silicon Carbide”和“SiC”字眼，結(jié)果可以包括大部分相關(guān)的專利申請(qǐng)，對(duì)于除去應(yīng)用電路之外的環(huán)節(jié)具有較好的代表性。雖然如此，需要指出的是，尚有一些顯然主要適用于碳化硅功率器件技術(shù)專利申請(qǐng)，在題目和摘要中回避具體的“Silicon Carbide” 和“SiC”字眼，僅僅在“權(quán)利要求”或后面技術(shù)描述部分一帶而過，有的甚至全篇中都未提到。另外，相關(guān)申請(qǐng)人的名稱不統(tǒng)一（比如業(yè)界著名的美國CREE公司作為申請(qǐng)人有“CREE”“克里”“科銳”“克立”等多個(gè)不同名稱）；研發(fā)實(shí)體有較為頻繁的機(jī)構(gòu)改組，改名情況；申請(qǐng)人可能在某個(gè)時(shí)期以專門的專利管理公司而非研發(fā)實(shí)體名稱出現(xiàn)。有些碳化硅襯底的專利，可能主要目標(biāo)領(lǐng)域是微波射頻或者光電類器件，而非功率器件，但是難以做出準(zhǔn)確區(qū)分。這些都增加了數(shù)據(jù)分析的難度，影響其準(zhǔn)確性。本文的結(jié)果中也包含少量的這類情況，但是并不全面完備?？偟膩碚f，筆者希望本文檢索分析的結(jié)果可以大致反映這一領(lǐng)域在器件、外延、襯底晶體領(lǐng)域的專利布局情況。

二、專利申請(qǐng)案數(shù)的綜合發(fā)展趨勢(shì)

圖1是從1998年開始的碳化硅功率器件技術(shù)相關(guān)申請(qǐng)數(shù)目（去除由于各種原因已經(jīng)失效的專利）逐年變動(dòng)趨勢(shì)。從中可以看到專利申請(qǐng)案數(shù)在2010年左右之后有明顯增長（盡管專利失效的情況更多見于早期申請(qǐng)的專利，但是這個(gè)因素的影響并不改變整體趨勢(shì)）。2014年和2015年下降的原因并非實(shí)際申請(qǐng)數(shù)目下降，而是因?yàn)閿?shù)據(jù)庫只能檢索公布的專利申請(qǐng)。專利從申請(qǐng)到公布大約有不等的時(shí)間間隔。另外就是來自中國的研發(fā)實(shí)體的申請(qǐng)有更為醒目的飛躍式增長，到2015年已經(jīng)成為本領(lǐng)域相關(guān)專利申請(qǐng)的主體。

相應(yīng)地，來自中國研發(fā)實(shí)體的專利占據(jù)全部專利的40%以上（圖2），并且在主要的單個(gè)申請(qǐng)者名單中，也占據(jù)一些席位（表1）。這美國市場(chǎng)情況大不相同。筆者還注意到2010年后來自中國的申請(qǐng)不但總數(shù)目急劇增加，申請(qǐng)者的數(shù)目也明顯增多（64位）。不但包括企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，也出現(xiàn)了個(gè)人申請(qǐng)者。筆者認(rèn)為這充分反映了我國研究人員對(duì)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)性質(zhì)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的認(rèn)知和重視，不再僅僅專注于學(xué)術(shù)文章的發(fā)表以及純粹的kown-how的摸索。

三、技術(shù)環(huán)節(jié)和領(lǐng)域

在具體的技術(shù)細(xì)分領(lǐng)域，中國大陸市場(chǎng)的專利也集中在單晶襯底和在較易驅(qū)動(dòng)的常關(guān)壓控器件（MOSFET/MISFET/IGBT）方面，與美國市場(chǎng)情況類似。所不同的是，不易驅(qū)動(dòng)的開關(guān)器件（JFET/ BJT）較少（見圖3）。這反映了對(duì)于民用應(yīng)用領(lǐng)域的偏重。

國內(nèi)申請(qǐng)者申請(qǐng)專利的技術(shù)領(lǐng)域細(xì)分情況與全部申請(qǐng)者的情況類似。不同的是近來國內(nèi)襯底廠家（河北同光晶體有限公司、山東天岳先進(jìn)材料科技有限公司以及北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司）在專利申請(qǐng)方面采取了較為積極的策略。另外（MOSFET/MISFET/IGBT）器件專利的申請(qǐng)似乎比例稍低， 實(shí)際上占了2015年專利申請(qǐng)的大部分，表現(xiàn)出國內(nèi)研發(fā)實(shí)體更重視這一細(xì)分領(lǐng)域。筆者預(yù)期這一趨勢(shì)將會(huì)繼續(xù)。

四、分析結(jié)果

如前所述，隨著全球碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)的初步興起，2012年之后我國對(duì)這一領(lǐng)域的關(guān)注和投入增加，研發(fā)創(chuàng)新取得了長足進(jìn)步，更重要的是突破了之前單純重視跟蹤研究前沿發(fā)表學(xué)術(shù)文章，以及突破技術(shù)封鎖時(shí)專注逆向工程摸索的觀念，采取了重視產(chǎn)業(yè)特征和專利布局的產(chǎn)業(yè)策略。另外，一些實(shí)體（如國家電網(wǎng)公司、中國南車和中國西電等）在相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合方面也有進(jìn)步。我國民營企業(yè)制造業(yè)以前習(xí)慣于在產(chǎn)業(yè)到達(dá)一定成熟度后再向橫向結(jié)構(gòu)發(fā)展，再依靠融資、人力和環(huán)境成本的優(yōu)勢(shì)進(jìn)入技術(shù)壁壘的最低環(huán)節(jié)。對(duì)于寬禁帶半導(dǎo)體器件而言，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，一定程度的垂直整合是非常重要的。雖然如此，筆者覺得這無法立即改善當(dāng)前我國在這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域面臨的嚴(yán)峻局面。原因主要有如下一些方面。

第一，這些自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)是在國際領(lǐng)先企業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)趨于成熟，大量相關(guān)專利覆蓋，確立市場(chǎng)地位的情況下取得的。這些企業(yè)的產(chǎn)品都有自己鮮明的技術(shù)路線風(fēng)格特征和專利組合支撐。據(jù)筆者了解，我國目前的碳化硅研發(fā)實(shí)體主要都是大學(xué)或科研院所，甚至都沒有一條完整的MOSFET（金氧半場(chǎng)效晶體管）實(shí)驗(yàn)流片線。器件方面的相關(guān)專利大都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的想法，少有工藝積累，目前還沒有研發(fā)實(shí)體能夠依據(jù)這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)制造出產(chǎn)品并在市場(chǎng)上占據(jù)一席之地。我國在功率器件產(chǎn)業(yè)各個(gè)鏈條都處于相對(duì)落后的地位，技術(shù)積累薄弱，談不上市場(chǎng)和技術(shù)主導(dǎo)權(quán)和影響力，即使有高質(zhì)量、決定性的關(guān)鍵專利，在趨于保守、重視可靠性且需要大量下游資源配合進(jìn)行驗(yàn)證的功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，要想繞過所有已有專利雷區(qū)另辟蹊徑，實(shí)現(xiàn)反超，談何容易！從某種意義上，我國已經(jīng)喪失了這一領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新的先機(jī)，失去反超的最好機(jī)遇，有很大可能重蹈硅IGBT的覆轍。

第二，雖然有了一些垂直整合的發(fā)展，但是我國產(chǎn)業(yè)界缺乏產(chǎn)學(xué)研的有機(jī)配合。突出的問題是“產(chǎn)”這一因素缺失。從科研角度講，缺乏產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)平臺(tái)和資源，要把自己的創(chuàng)新成果最終成功帶向市場(chǎng)，需要在融資、研發(fā)、生產(chǎn)和營銷管理方面引入產(chǎn)業(yè)元素，這實(shí)際是一個(gè)原始的技術(shù)創(chuàng)新者在保證一定權(quán)益的同時(shí)逐漸向產(chǎn)業(yè)移交主導(dǎo)權(quán)的過程，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。另一方面，我國已有的功率器件廠家規(guī)模很大，擁有包括工藝生產(chǎn)技術(shù)人員的工業(yè)平臺(tái)及市場(chǎng)資源，但是長期以來習(xí)慣于技術(shù)引進(jìn)、跟蹤、替代，習(xí)慣于依靠人力環(huán)境成本，以及資金政策支持的模式，技術(shù)落后、效益不高，缺乏創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)。在國際上所有主要硅IGBT廠家都在致力于新一代半導(dǎo)體功率器件研發(fā)布局的背景下，我國不但沒有實(shí)質(zhì)資源投入，哪怕是在專利布局上也未能同步跟進(jìn)。今后一旦在沒有專利“鎧甲”保護(hù)的情況下裸奔進(jìn)入這一領(lǐng)域開始量產(chǎn)和營銷，就會(huì)分割國際領(lǐng)先企業(yè)的市場(chǎng)份額和利益，必然遭遇專利狙擊。筆者建議，我國碳化硅功率器件廠家和科研院所以及大學(xué)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)所有者盡快結(jié)合，進(jìn)行資源互補(bǔ)以籌謀未來碳化硅市場(chǎng)的“諸侯爭(zhēng)霸”。

第三，僅僅有國內(nèi)“自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)”不足以保證企業(yè)的生存和發(fā)展。這種思路來源于過去的產(chǎn)品替代模式，就是國際上已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品和相應(yīng)的市場(chǎng)及標(biāo)準(zhǔn)，除去制造成本，產(chǎn)品的利潤很可觀。后發(fā)者不需要在市場(chǎng)培育階段進(jìn)行投入，只要在技術(shù)上能夠獨(dú)立做出類似產(chǎn)品，就可以以低價(jià)參與競(jìng)爭(zhēng)。但是筆者注意到，國內(nèi)某一類工業(yè)基礎(chǔ)性產(chǎn)品具有應(yīng)用范圍廣、市場(chǎng)體量大、標(biāo)準(zhǔn)性強(qiáng)的特征，在國民經(jīng)體系中有明顯的重要性，享有政府層面的政策支持。但是從投入產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)賬上來算，政府補(bǔ)貼無疑是個(gè)無底洞。其原因在于：①盡管這類產(chǎn)業(yè)具有典型橫向結(jié)構(gòu)，環(huán)節(jié)之間有成熟產(chǎn)業(yè)界面標(biāo)準(zhǔn)，可以集中關(guān)注一個(gè)產(chǎn)品環(huán)節(jié)。這是對(duì)后發(fā)者有利的一面，但是技術(shù)高度分工精細(xì)化，自動(dòng)化程度高，資金技術(shù)門檻高，邊際制造成本低。這些是不利于后發(fā)者的因素。②由于以上原因，加上標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的運(yùn)輸成本相對(duì)于本身價(jià)值可以忽略不計(jì)，無法形成地域市場(chǎng)壁壘。產(chǎn)品處于產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)地位，建立關(guān)稅壁壘不僅違背相關(guān)貿(mào)易條約，而且會(huì)傷害產(chǎn)業(yè)鏈的下游。后發(fā)者難以得到培育保護(hù)的空間。③基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)品，面對(duì)的理性工業(yè)用戶市場(chǎng)有強(qiáng)烈的成本意識(shí)；在擁有多家競(jìng)爭(zhēng)者的情況下，往往產(chǎn)品并無超額利潤，沒有給后發(fā)者留下很大的切入空間。

以上情況，正是標(biāo)準(zhǔn)集成電路、碳化硅功率器件以及很多新材料產(chǎn)業(yè)的特征。在這樣的環(huán)境中，企業(yè)如果局限于國內(nèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品替代觀念，無法在市場(chǎng)上生存。領(lǐng)先企業(yè)一旦感覺到威脅，立即對(duì)新生企業(yè)進(jìn)行市場(chǎng)阻擊（價(jià)格、專利訴訟等），使后者生存發(fā)展的環(huán)境遭到破壞，曇花一現(xiàn)后陷入困境的企業(yè)屢見不鮮。只有當(dāng)某一領(lǐng)域或環(huán)節(jié)的舊有關(guān)鍵專利面臨過期，技術(shù)創(chuàng)新潛力以及隨之而來的超額利潤前景已經(jīng)消失的所謂夕陽產(chǎn)業(yè)，才會(huì)在把該領(lǐng)域或環(huán)節(jié)的主導(dǎo)權(quán)輕易讓出，完成全球產(chǎn)業(yè)的分工調(diào)整，給后來者留下一個(gè)微薄且風(fēng)險(xiǎn)巨大的“產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)”。而這類產(chǎn)業(yè)唯一的保護(hù)壁壘就是知識(shí)產(chǎn)權(quán)。相關(guān)產(chǎn)業(yè)企業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，需要延伸到全球其他重要市場(chǎng)，才能有持續(xù)的生命力，否則只能眼睜睜逐漸喪失市場(chǎng)機(jī)遇。

與國內(nèi)相比，海外專利布局的成本高昂，不但初創(chuàng)公司難以承擔(dān)，就連一些成熟企業(yè)也會(huì)因?yàn)橛芰Σ?，在?cái)務(wù)上背負(fù)很大的負(fù)擔(dān)，因此企業(yè)也不可能采取廣種薄收的戰(zhàn)略。海外專利的生態(tài)環(huán)境與國內(nèi)有很大區(qū)別，沿襲國內(nèi)專利的申請(qǐng)策略走向海外，往往得到的不過是一些看似漂亮的數(shù)字，拿到的專利卻不過是花拳繡腿。如果企業(yè)各自為戰(zhàn)，每個(gè)企業(yè)的專利組合單薄，覆蓋力不夠，沒有實(shí)力與領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手達(dá)成互不訴訟干擾的妥協(xié)。在這種情形下，國內(nèi)業(yè)界采取報(bào)團(tuán)取暖的策略，合作分析研究領(lǐng)域?qū)＠謩?shì)，將各個(gè)企業(yè)的境外專利統(tǒng)一整合起來，委托一些有實(shí)力的專業(yè)機(jī)構(gòu)代理，也許是一個(gè)可行之路。