5G時(shí)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專(zhuān)利布局現(xiàn)狀及中國(guó)企業(yè)發(fā)展建議

王晶 王科

2015年6月，國(guó)際電信聯(lián)盟確定5G正式名稱(chēng)、愿景和時(shí)間表等關(guān)鍵內(nèi)容。2017年11月15日，工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)使用3300～3600MHz和4 800～5 000MHz頻段相關(guān)事宜的通知》[1]。

5G大規(guī)模商用時(shí)代正在一步步向我們走來(lái)，除了毫米波技術(shù)、大規(guī)模集成天線和編碼技術(shù)、超密集組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)外，還有更為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件對(duì)5G技術(shù)的發(fā)展有至關(guān)重要的影響。

隨著數(shù)據(jù)速率的快速增長(zhǎng)，特別是從4G到5G，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度呈現(xiàn)跨越式提升，對(duì)基站以及移動(dòng)終端設(shè)備的要求隨之增強(qiáng)，需要配備更新更快的應(yīng)用處理器、基帶以及射頻器件。以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第3代半導(dǎo)體材料，因?yàn)槠渌哂械母鼘挼慕麕挾?、更高的擊穿電?chǎng)等特性，更適用于制備5G技術(shù)中所需要的半導(dǎo)體器件、特別是5G通訊中所需的大功率器件，在5G通訊應(yīng)用中有著非常廣闊的前景和機(jī)遇。

本文以包括SiC、GaN在內(nèi)適用于5G技術(shù)中的半導(dǎo)體材料及其半導(dǎo)體器件專(zhuān)利文獻(xiàn)為研究樣本，通過(guò)對(duì)全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)、中國(guó)專(zhuān)利布局現(xiàn)狀、全球領(lǐng)先企業(yè)的專(zhuān)利布局情況進(jìn)行分析，揭示適用于5G技術(shù)中的半導(dǎo)體領(lǐng)域（“以下稱(chēng)5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)”）的專(zhuān)利整體發(fā)展趨勢(shì)、專(zhuān)利布局區(qū)域分布情況以及中國(guó)在該領(lǐng)域?qū)＠季脂F(xiàn)狀（見(jiàn)圖1），最終從專(zhuān)利的角度為中國(guó)企業(yè)在5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出建議。

1 5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

從專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)來(lái)看，以SiC、GaN、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的第3代半導(dǎo)體材料的研究發(fā)展起步時(shí)間較早。其中，SiC以及GaN早在20世紀(jì)就開(kāi)始進(jìn)行研究，特別是SiC材料早在1905年就在隕石中被發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)50代西屋公司研究SiC單晶獲取方式并應(yīng)用SiC材料作為晶體管材料；GaN專(zhuān)利申請(qǐng)晚于SiC材料，最早是1963年由美國(guó)柯達(dá)公司申請(qǐng)的GaN材料相關(guān)專(zhuān)利，其中IBM于1971年提出在半導(dǎo)體器件中使用GaN材料層。但由于受到SiC材料以及GaN材料所存在的各種技術(shù)問(wèn)題的困擾，因而發(fā)展十分緩慢。從專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)也可以看出，在1961—1996年期間專(zhuān)利申請(qǐng)量增長(zhǎng)緩慢，僅貢獻(xiàn)了14.1%的專(zhuān)利申請(qǐng)總量。

20世紀(jì)90年代后期隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)的日趨成熟，從1997年德國(guó)英飛凌布局SiC半導(dǎo)體器件專(zhuān)利開(kāi)始，各大半導(dǎo)體廠商開(kāi)始大量布局SiC材料、GaN材料以及相關(guān)半導(dǎo)體器件的專(zhuān)利，專(zhuān)利數(shù)量快速增長(zhǎng)，進(jìn)入發(fā)展的黃金時(shí)期。其中，1997—2010年期間的專(zhuān)利申請(qǐng)量占比達(dá)到了37.2%；2011—2019年期間的專(zhuān)利申請(qǐng)量占比達(dá)到了48.7%。并且，隨著5G通訊技術(shù)的研發(fā)，對(duì)以GaN為代表的第3代半導(dǎo)體材料的需求越來(lái)越大。由此看來(lái)，應(yīng)用于5G技術(shù)的半導(dǎo)體材料在未來(lái)幾年會(huì)再次形成一次研發(fā)熱潮。

2 地域分布情況現(xiàn)狀

從全球5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)利布局區(qū)域分布情況（見(jiàn)圖2）來(lái)看，中國(guó)是目前全球5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最大的專(zhuān)利布局區(qū)域，雖然中國(guó)5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚，但國(guó)家和各地方政府陸續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金發(fā)展包括SiC和GaN材料在內(nèi)的第3代半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)，不少地方政府也有針對(duì)性對(duì)當(dāng)?shù)鼐哂幸欢▋?yōu)勢(shì)的SiC和GaN材料企業(yè)進(jìn)行扶持[2]，因此近年來(lái)年度專(zhuān)利申請(qǐng)量遠(yuǎn)超過(guò)其他區(qū)域。

日本是全球第2大專(zhuān)利布局區(qū)域，住友集團(tuán)（SUMITOMO）、三菱集團(tuán)（MITSUBISHI）、株式會(huì)社日立制作所（HITACHI）等在SiC以及GaN領(lǐng)域研發(fā)實(shí)力雄厚，擁有大量專(zhuān)利。同時(shí)，日本申請(qǐng)人不僅通過(guò)世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（World Intellectual property organization，WIPO）和歐洲專(zhuān)利局（European Patent Office，EPO）提交大量的專(zhuān)利申請(qǐng)，同時(shí)也在其主要的市場(chǎng)國(guó)進(jìn)行了有針對(duì)性的專(zhuān)利布局，一定程度上反映了日本5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的申請(qǐng)人全球多地區(qū)布局的意識(shí)非常強(qiáng)烈。

美國(guó)在全球5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)利申請(qǐng)量居全球第3位，美國(guó)國(guó)防部、能源部、科學(xué)技術(shù)委員會(huì)及其部分產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)紛紛制訂有關(guān)SiC、GaN等半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目[3]，積極推進(jìn)5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研發(fā)以及戰(zhàn)略部署，搶占市場(chǎng)。

而從主要國(guó)家/地區(qū)在5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)SiC、GaN材料的專(zhuān)利申請(qǐng)量布局情況來(lái)看，目前SiC布局的熱度仍略高于GaN材料，且布局技術(shù)主要以SiC半導(dǎo)體器件以及GaN半導(dǎo)體器件為主。雖然中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量在全球居于首位，但結(jié)合研發(fā)時(shí)間及科研實(shí)力，SiC材料及SiC半導(dǎo)體器件領(lǐng)域美國(guó)、日本在全球的布局量具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，居于領(lǐng)導(dǎo)地位。同樣，GaN技術(shù)日本以及美國(guó)也擁有較強(qiáng)實(shí)力。

3 全球申請(qǐng)人分布情況現(xiàn)狀

從全球5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專(zhuān)利申請(qǐng)人排名情況來(lái)看，住友集團(tuán)（SUMITOMO）在5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的全球?qū)＠暾?qǐng)量排名第1，是5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)跑者，MITSUBISHI、美國(guó)科銳（CREE）、松下（Panasonic）和 HITACHI分列第2～5位。中國(guó)本土申請(qǐng)人中，中芯國(guó)際（SMIC）、西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所進(jìn)入全球前20榜單（見(jiàn)圖3）。此外，日本企業(yè)表現(xiàn)突出，在排名前10的申請(qǐng)人中有6位日本企業(yè)，在5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)擁有較強(qiáng)實(shí)力。

4 中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)現(xiàn)狀

我國(guó)在開(kāi)展SiC、GaN等適用于 5G技術(shù)半導(dǎo)體材料和器件方面的研究工作比較晚，20世紀(jì)80年代末期東北工學(xué)院、湖北工業(yè)大學(xué)以及中國(guó)科學(xué)院金屬研究所逐漸開(kāi)始在SiC提取方面開(kāi)展研究并進(jìn)行專(zhuān)利布局，但由于國(guó)外公司已經(jīng)在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了大量的專(zhuān)利布局，并已著手在中國(guó)進(jìn)行專(zhuān)利布局，技術(shù)發(fā)展阻力較大。

從專(zhuān)利來(lái)源來(lái)看，有27.1%的中國(guó)專(zhuān)利來(lái)自國(guó)外申請(qǐng)人，72.9%來(lái)自中國(guó)本土申請(qǐng)人，美、日、歐等國(guó)家和地區(qū)在中國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了大量的專(zhuān)利部署（見(jiàn)圖4）。國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)人中，來(lái)自日本、美國(guó)的專(zhuān)利占比高達(dá)78%，其中來(lái)自日本的SUMITOMO、MITSUBISHI、日本Panasonic，德國(guó)英飛凌（Infineon）科技公司、美國(guó)的CREE等針對(duì)我國(guó)市場(chǎng)實(shí)施了不同程度的專(zhuān)利布局。

按照省份排名來(lái)看，江蘇、廣東、陜西是5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前3的省份，來(lái)自江蘇省的中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、東南大學(xué)、南京大學(xué)等，來(lái)自廣東的華南理工大學(xué)、中山大學(xué)等，來(lái)自陜西的西安電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)在5G半導(dǎo)體領(lǐng)域積極探索并實(shí)施專(zhuān)利布局策略。

按照城市排名來(lái)看，北京市、上海市、西安市是5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前3的城市，表1為排名前3的城市排名前3的申請(qǐng)人名單，可以看出，北京市和西安市以高校申請(qǐng)人為主，上海市排名前3的申請(qǐng)人企業(yè)申請(qǐng)人占主要力量。

5 中國(guó)技術(shù)創(chuàng)新主體

從中國(guó)5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的申請(qǐng)人排名（表2）來(lái)看，排名前20的中國(guó)本土申請(qǐng)人以高校和研究所為主，其中西安電子科技大學(xué)和電子科技大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)量最多，前20榜單中僅有2家中國(guó)本土企業(yè)，其中SMIC在中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量排名第1。并且排名前20的申請(qǐng)人中，來(lái)自于日本的申請(qǐng)人有3家，分別是SUMITOMO、MITSUBISHI與Panasonic；韓國(guó)1家，為SAMSUNG，美國(guó)有2家，分別為CREE和IBM；德國(guó)1家，為Infineon。

從中國(guó)5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的申請(qǐng)人排名分析可以再次看出，我國(guó)5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域技術(shù)主要掌握在高校及科研院手中，企業(yè)申請(qǐng)人整體水平在該領(lǐng)域?qū)嵙Σ⒉煌怀?；并且，住友、科銳等全球技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)已在中國(guó)進(jìn)行大量的專(zhuān)利布局，對(duì)中國(guó)企業(yè)的發(fā)展具有較大威脅。

6 相關(guān)建議

從前面分析來(lái)看，美日歐等發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)制定相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策以及技術(shù)扶持計(jì)劃，培養(yǎng)了眾多龍頭企業(yè)，在以SiC和GaN材料為代表的5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)占領(lǐng)了技術(shù)和市場(chǎng)的高地。而與此同時(shí)，中國(guó)資本試圖收購(gòu)國(guó)外優(yōu)秀化合物半導(dǎo)體企業(yè)以快速獲取人才和技術(shù)，卻頻頻遭遇美國(guó)政府以危害國(guó)家安全為由予以否決[4]。

雖然目前我國(guó)已在5G半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)布局有大量專(zhuān)利，但全球的核心技術(shù)多掌握在全球知名的電器及電子公司手中，尤其是目前對(duì)產(chǎn)業(yè)線有掌控力的住友、科銳、英飛凌等，且中國(guó)5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)利主要來(lái)源于高校及科研院所，中國(guó)本土企業(yè)在市場(chǎng)規(guī)模和專(zhuān)利布局方面與這些公司差距明顯。

但是不可否認(rèn)的是，隨著中國(guó)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，我國(guó)在5G通信中已經(jīng)擁有一席之地，這為我國(guó)5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)。并且，國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備一定的5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)，包括西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)，以及中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所在內(nèi)的中科院下屬研究所積累了大量的技術(shù)和人才。

基于此，中國(guó)企業(yè)應(yīng)該抓住現(xiàn)今5G快速發(fā)展的機(jī)遇，充分發(fā)揮高校及科研院所的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將高校及科研院所的研發(fā)成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化以盡快提升自身實(shí)力，縮小與美日歐等龍頭企業(yè)的差距。一方面，可以選擇利用外聘專(zhuān)家方式進(jìn)行人才引進(jìn)提升自身實(shí)力；另一方面，可以通過(guò)許可、轉(zhuǎn)讓等方式將高?；蛘呖蒲性核膶?zhuān)利技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 李曉明.5G時(shí)代新技術(shù)需要關(guān)注氮化鎵[J].電信技術(shù)，2018（5）：5-9.

[2] 林佳，黃浩生.第三代半導(dǎo)體帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].集成電路應(yīng)用，2017，34（12）：83-86.

[3] 江洪，劉義鶴，張曉丹.國(guó)外第3代半導(dǎo)體材料項(xiàng)目國(guó)家支持行動(dòng)初探[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2017（8）：11-14.

[4] 借力5G中國(guó)化合物半導(dǎo)體突破在望[J].半導(dǎo)體信息，2017（6）：9-12.