基于氮化鎵全球?qū)＠季痔攸c(diǎn)推進(jìn)我國氮化鎵產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

(1.中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心，北京 100191；2.中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191)

0 引言

第五代移動通信(5G)實(shí)現(xiàn)了用戶體驗(yàn)更快、時(shí)延更低以及設(shè)備連接密度更大的特點(diǎn)，帶動了通信器件向高速化、集成化、小型化的趨勢發(fā)展。隨著通信器件性能需求的提升，許多企業(yè)除了加強(qiáng)自身知識產(chǎn)權(quán)實(shí)力、加大研發(fā)投入外，還通過收購、并購等市場行為快速提升自身技術(shù)實(shí)力儲備。這些行為也導(dǎo)致了全球通信器件行業(yè)知識產(chǎn)權(quán)格局的重新洗牌，推動了產(chǎn)品之間的競爭。

移動通信領(lǐng)域的競爭既是建立在核心通信芯片技術(shù)基礎(chǔ)之上，也是建立在底層半導(dǎo)體技術(shù)基礎(chǔ)之上，而技術(shù)的更新迭代則推動了產(chǎn)品的不斷優(yōu)化與升級。因?yàn)榧夹g(shù)的進(jìn)步和標(biāo)準(zhǔn)的升級，既帶動了技術(shù)性能的升級，也帶來了通信器件性能的改進(jìn)和提升，同時(shí)也使通信器件工藝制程得到改進(jìn)[1]。隨著半導(dǎo)體工藝的特征尺寸日益逼近理論極限，摩爾定律對半導(dǎo)體行業(yè)的加速度已經(jīng)明顯放緩，未來半導(dǎo)體技術(shù)的提升，除了進(jìn)一步榨取摩爾定律在制造工藝上最后的“剩余價(jià)值”外，尋找硅(Si)以外的新一代半導(dǎo)體材料，成了一個(gè)重要的選擇，而氮化鎵(GaN)作為新的熱點(diǎn)高頻詞匯逐漸進(jìn)入人們的視野[2]。作為第三代半導(dǎo)體材料，GaN擁有眾多比Si和GaAs更優(yōu)越的性能，可以作為射頻器件的首選材料。GaN 射頻器件的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如衛(wèi)星通信、通信基站，其中無線通信基站市場是 GaN 射頻器件最大的應(yīng)用市場[3]。據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年我國新增5G基站約58萬個(gè)，累計(jì)已建成5G基站71.8萬個(gè)，2021年計(jì)劃新建5G基站60萬個(gè)以上。不斷增長的通信基站需求，進(jìn)一步推動了GaN功率放大器的市場需求和技術(shù)改進(jìn)。

本文主要從年度申請趨勢、申請人、技術(shù)分布等維度對全球GaN及GaN功率放大器的發(fā)明專利進(jìn)行分析，在篩選清洗數(shù)據(jù)后分析提煉其特點(diǎn)，以期使GaN相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)更好地了解該領(lǐng)域全球及國內(nèi)的專利布局現(xiàn)狀，并結(jié)合自身技術(shù)發(fā)展路徑，在對比中找準(zhǔn)自身定位、摸清潛在風(fēng)險(xiǎn)、明確發(fā)展方向，以便制定更有針對性、實(shí)施性更強(qiáng)的專利發(fā)展戰(zhàn)略和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對方案，全方位提升我國GaN產(chǎn)業(yè)知識產(chǎn)權(quán)綜合能力。

1 GaN全球?qū)＠季?/h2>

截至2020年6月，“七國兩組織”(七國：中國、日本、美國、英國、法國、德國、瑞士；兩組織：歐洲專利局、國際知識產(chǎn)權(quán)組織)已公布的GaN發(fā)明專利(本文專利均為發(fā)明專利)總量近3.1萬件。如圖1所示，GaN專利最早在1963年出現(xiàn)，但早期的申請較零散，每年的申請數(shù)量僅為個(gè)位數(shù)。自1993年始，GaN創(chuàng)新活動逐步活躍，帶動其專利申請數(shù)量快速增長，并于2006年出現(xiàn)第一次申請高峰。隨后，GaN全球?qū)＠麛?shù)量略有下降，逐年出現(xiàn)波動性變化，技術(shù)發(fā)展進(jìn)入穩(wěn)定階段。隨著GaN在通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，GaN專利申請熱度不減，專利申請量在近十五年持續(xù)居于高位，技術(shù)創(chuàng)新活躍 。

圖1 GaN全球?qū)＠甓壬暾堏厔?數(shù)據(jù)來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心)

通信器件的改進(jìn)和提升，帶動了器件各環(huán)節(jié)的改進(jìn)，其專利申請方向也隨之發(fā)生變化。據(jù)中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心統(tǒng)計(jì)，全球65%的GaN發(fā)明專利高度集中在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，24%集中在制造環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)及制造環(huán)節(jié)的專利高占比延續(xù)了半導(dǎo)體工藝技術(shù)創(chuàng)新活躍的特點(diǎn)。值得關(guān)注的是，18%的GaN發(fā)明專利集中在材料環(huán)節(jié)，較高比例的材料專利顯示了氮化鎵材料從早期二極管時(shí)代發(fā)展到現(xiàn)在5G核心射頻器件的過程中不斷推出更具創(chuàng)新的提取、制備、生產(chǎn)等新技術(shù)，迎合了市場對通信器件高性能的需求。

如圖2所示，全球GaN發(fā)明專利中僅有35%發(fā)明專利屬于有效專利，而近30%處在實(shí)質(zhì)審查中，還未獲得專利授權(quán)，法律狀態(tài)并不穩(wěn)定。另外，35%的GaN發(fā)明專利已失效，失效比較高，主要原因?yàn)槲蠢U納年費(fèi)和視為放棄，這與企業(yè)應(yīng)對GaN應(yīng)用快速發(fā)展而主動調(diào)整市場戰(zhàn)略因素有關(guān)。失效專利中僅有557件發(fā)明專利屬于20年保護(hù)期屆滿而自然失效，這些被權(quán)利人連續(xù)持有20年而未被中途放棄的專利通常屬于基礎(chǔ)專利或高價(jià)值專利，因此獲得了企業(yè)的定期繳費(fèi)維護(hù)。

圖2 GaN全球?qū)＠蔂顟B(tài)統(tǒng)計(jì)(數(shù)據(jù)來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心)

從圖3的GaN全球?qū)＠赜蚍植记闆r可以看出，中國、日本、美國是重點(diǎn)布局國家，分別布局了28%、25%、19%。對專利數(shù)據(jù)分析可知，中國、日本、美國3個(gè)國家的專利年度申請趨勢并不相同，中國的GaN專利從2008年開始迅速增長，并且增速明顯，每年申請的專利數(shù)量遠(yuǎn)超出日本、美國，而日本、美國的GaN專利則呈現(xiàn)出相近的申請趨勢，并在后期都出現(xiàn)專利申請量下降的跡象。我國的GaN專利數(shù)量位居全球第一，這一方面與我國大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國家計(jì)劃和政策支持密不可分，另一方面也與我國半導(dǎo)體市場在全球愈加重要有關(guān)。

圖3 GaN全球?qū)＠赜蚍植?數(shù)據(jù)來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心)

據(jù)中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心統(tǒng)計(jì)，全球GaN發(fā)明專利中39%來源于日本，日本企業(yè)在GaN材料領(lǐng)域積累深厚，GaN全球排名前20位的專利權(quán)人中，共有住友、松下、豐田等12家日本企業(yè)，這12家日本企業(yè)的GaN專利申請總量占全球GaN專利申請總量的24%，由此可見日本企業(yè)在GaN領(lǐng)域技術(shù)實(shí)力處于領(lǐng)先地位；有3家美國企業(yè)/機(jī)構(gòu)進(jìn)入GaN全球?qū)＠麢?quán)人排名前20位，分別是加利福尼亞大學(xué)、科瑞、英特爾；中國的中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、華燦光電(浙江)有限公司、西安電子科技大學(xué)位列全球GaN專利權(quán)人排名前20，我國企業(yè)/科研機(jī)構(gòu)/大學(xué)對于GaN技術(shù)的研究實(shí)力較強(qiáng)，全球26%的GaN發(fā)明專利來源于中國；此外，韓國的三星、LG在GaN領(lǐng)域創(chuàng)新實(shí)力也較強(qiáng)。

如圖4所示，全球GaN專利技術(shù)主要集中在氮化鎵相關(guān)的材料、設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域。全球GaN發(fā)明專利

圖4 全球GaN專利技術(shù)(IPC)分布(數(shù)據(jù)來源：《國際專利分類表(2018版)》)

中23%集中在 國際專利分類(International Patent Classification，IPC)號H01L33/00中，即半導(dǎo)體器件中至少有一個(gè)電位躍變勢壘或表面勢壘專門適用于光發(fā)射的半導(dǎo)體器件，或?qū)ｉT適用于制造處理這些半導(dǎo)體器件的方法或設(shè)備；14%集中在 IPC號H01L33/32中，即含氮半導(dǎo)體器件中至少有一個(gè)電位躍變勢壘或表面勢壘專門適用于光發(fā)射的半導(dǎo)體器件，及專門用于制造處理這些半導(dǎo)體器件的方法或設(shè)備；12%集中在 IPC號H01L21/205中，即半導(dǎo)體器件中專門適用于制造或處理半導(dǎo)體或固體器件或其部件的方法或設(shè)備，主要指應(yīng)用氣態(tài)化合物的還原或分解過程產(chǎn)生固態(tài)凝結(jié)物(即化學(xué)沉積)；11%集中在 IPC號H01L29/778中，即半導(dǎo)體器件中專門適用于整流、放大、振蕩或切換，并具有至少一個(gè)電位躍變勢壘或表面勢壘的半導(dǎo)體器件，例如PN結(jié)耗盡層或載流子集結(jié)層的電容器或電阻器；9%集中在 IPC號H01L21/20中，即專門適用于制造或處理半導(dǎo)體或固體器件或其部件的方法或設(shè)備，特指半導(dǎo)體材料在基片上的沉積，例如外延生長。

2 GaN中國專利布局

據(jù)中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心統(tǒng)計(jì)，GaN中國專利最早出現(xiàn)在1986年，隨后專利數(shù)量逐年增加，增速明顯；截至2020年6月，GaN中國專利申請近9000件，并至此呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，與國際專利申請趨勢趨同(見圖5)。

圖5 GaN全球/中國專利年度申請趨勢(數(shù)據(jù)來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心)

據(jù)中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心統(tǒng)計(jì)，GaN中國專利中有效專利與失效專利的比例接近，失效專利占專利總量的32%，主要失效原因?yàn)槌坊?、未繳納年費(fèi)、駁回，專利被駁回比例較高與專利實(shí)質(zhì)審查階段專利質(zhì)量較低有關(guān)；有效專利約占專利總量的33%，約有35%的發(fā)明專利處在實(shí)質(zhì)審查中，未獲得專利授權(quán)。大量GaN中國專利仍在實(shí)質(zhì)審查階段而未授權(quán)說明GaN中國專利申請時(shí)間偏晚，未授權(quán)狀態(tài)也導(dǎo)致了GaN中國專利布局的不確定性。

據(jù)中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心分析，GaN中國專利持有人以本土企業(yè)/機(jī)構(gòu)為主，其中申請企業(yè)大多來自LED光電領(lǐng)域。GaN中國專利排名前20位的專利權(quán)人中，有17家本土企業(yè)/機(jī)構(gòu)，其中華燦、映瑞、彩虹藍(lán)光、三安等企業(yè)均圍繞材料、設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)布局專利，具體涉及外延、襯底、材料提取技術(shù)；中科院、中國電子科技集團(tuán)、西安電子科技大學(xué)、北京大學(xué)、電子科技大學(xué)也圍繞材料、器件等領(lǐng)域申請較多專利。此外，日本企業(yè)很重視中國GaN市場，住友、松下、豐田等都在中國申請了GaN專利。

如圖6所示，在GaN中國專利技術(shù)分布中，全球GaN發(fā)明專利中41%集中在 IPCH01L33/00，與全球?qū)＠姆诸悅?cè)重相同；14%集中在H01L29/778，與全球?qū)＠膫?cè)重有不同；10%集中在 IPCH01L33/06，即至少有一個(gè)電位躍變勢壘或表面勢壘專門適用于光發(fā)射的半導(dǎo)體器件，專門適用于制造或處理這些半導(dǎo)體器件或其部件的方法或設(shè)備，特指在發(fā)光區(qū)中，例如量子限制結(jié)構(gòu)或隧道勢壘；6%集中在H01L21/02，即專門適用于制造或處理半導(dǎo)體或固體器件或其部件的方法或設(shè)備，特指半導(dǎo)體器件或其部件的制造或處理；5%分別集中在IPCH01L33/32、H01L33/12、H01L33/14，即含氮類半導(dǎo)體器件材料、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中具有一個(gè)應(yīng)力弛豫結(jié)構(gòu)(例如緩沖層)、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中具有一個(gè)載流子傳輸控制結(jié)構(gòu)(例如高摻雜半導(dǎo)體層或電流阻斷結(jié)構(gòu))。

圖6 GaN全球/中國專利年度申請趨勢(數(shù)據(jù)來源：《國際專利分類表(2018版)》)

此外，對中國本土機(jī)構(gòu)申請的GaN發(fā)明專利進(jìn)行分析可以看出，我國本土企業(yè)和機(jī)構(gòu)在GaN襯底外延、材料提取領(lǐng)域?qū)嵙^強(qiáng)，申請了一定數(shù)量的專利，已形成一定規(guī)模布局。

3 GaN功率放大器全球?qū)＠季?/h2>

從圖7 的GaN功率放大器全球/中國專利年度申請趨勢中可以看出，截至2020年6月，全球共有近3000件GaN功率放大器發(fā)明專利，GaN功率放大器全球范圍內(nèi)申請數(shù)量呈現(xiàn)持續(xù)、快速的增長趨勢，中國的專利申請趨勢與國際趨勢基本相同；GaN功率放大器發(fā)明專利最早出現(xiàn)在1973年，2000年以前其申請數(shù)量并不多，從2000年開始，5G的發(fā)展帶動了GaN功率放大器的研發(fā)，其專利申請量逐年增長；中國最早的GaN功率放大器發(fā)明專利出現(xiàn)在1999年，晚于國際26年，雖然中國GaN功率放大器專利出現(xiàn)較晚，但申請數(shù)量也在逐年增長。

圖7 GaN功率放大器全球/中國專利年度申請趨勢(數(shù)據(jù)來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心)

根據(jù)中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心的研究，中國、美國、日本屬于GaN 功率放大器重點(diǎn)布局的國家，3個(gè)國家的專利總數(shù)占全球?qū)＠倲?shù)的75%。美國在GaN 功率放大器方面擁有領(lǐng)先優(yōu)勢，全球32%的GaN 功率放大器專利來自美國申請人，美國企業(yè)英特爾、Avitas、MACOM、CREE、Qorvo均擁有眾多GaN功率放大器專利；日本企業(yè)實(shí)力整體強(qiáng)勁，全球20%的GaN 功率放大器專利來源于日本申請人，松下、富士通、東芝、富士、住友的專利數(shù)量都處于全球排名前20位；全球17%的GaN 功率放大器專利來源于中國申請人，大量中國高校/科研機(jī)構(gòu)申請了GaN 功率放大器專利，其中西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院微電子研究所、東南大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等的專利數(shù)量排名靠前，顯示了較強(qiáng)的GaN功率放大器研究實(shí)力。

GaN功率放大器中國專利以本土申請人為主，主要由高校、科研機(jī)構(gòu)、器件設(shè)計(jì)制造企業(yè)持有。值得關(guān)注的是，外國專利權(quán)人在中國布局的GaN功率放大器專利較少，僅三星、英特爾、夏普、富士通等企業(yè)申請了少量專利。

此外，通過對全球?qū)＠钟腥颂卣鬟M(jìn)行分析可以看出，GaN功率放大器專利持有人雖然類型較多，但并沒有出現(xiàn)類似通信領(lǐng)域?qū)＠^多集中在某些行業(yè)巨頭手中的情況，而是分散在大量不同類型的企業(yè)、機(jī)構(gòu)中。這種專利分散現(xiàn)象可能會讓企業(yè)在創(chuàng)新和生產(chǎn)中遇到需要多頭支付專利許可費(fèi)用的情形，不光增加了企業(yè)的成本負(fù)擔(dān)，還使企業(yè)在運(yùn)營中存在較高的專利侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)[4]。

4 國內(nèi)GaN專利發(fā)展建議

2018—2019年，受電信業(yè)和國防應(yīng)用的推動，全球GaN的市場規(guī)模由7億美元增長至8.2億美元，其中射頻器件市場規(guī)模約7.4億美元，電力電子市場規(guī)模約0.76億美元。2020年，隨著5G的應(yīng)用和推廣，全球GaN的市場規(guī)模突破10億美元[5]。

2015年5月，國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》，其中4次提到了以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體功率器件；2018年7月，國內(nèi)首個(gè)《第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)路線圖》正式發(fā)布，該路線圖主要從襯底/外延/器件、封裝/模塊、SiC應(yīng)用、GaN應(yīng)用4個(gè)方面展開論述，提出了中國發(fā)展第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)的路徑建議和對未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的預(yù)測[6]。

雖然GaN早期基礎(chǔ)專利仍被美國、日本、韓國掌握，但我國經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展已取得很大進(jìn)步。近年我國企業(yè)的專利申請數(shù)量有所上升，全球GaN專利中中國申請人占比達(dá)26%、全球GaN功率放大器專利中中國申請人占比達(dá)17%，并且我國企業(yè)在GaN襯底外延、材料提取、 GaN 功率放大器領(lǐng)域?qū)＠麑?shí)力較強(qiáng)，已形成了核心技術(shù)實(shí)力。但是，目前我國GaN專利仍存在分布較為分散、沒有形成有效布局的實(shí)際情況。同時(shí)，伴隨國外企業(yè)并購、收購、合作等因素，國外半導(dǎo)體巨頭間技術(shù)交融、專利交叉許可更加頻繁，這使得國外半導(dǎo)體企業(yè)既提升了自身專利實(shí)力，也降低了巨頭間通過專利訴訟互相傷害的幾率[7]。值得關(guān)注的是，由于GaN技術(shù)出現(xiàn)較早，大量早期申請的GaN基礎(chǔ)專利已失效或即將失效，因此存在較多我國企業(yè)在GaN新興應(yīng)用領(lǐng)域中布局專利、提升實(shí)力實(shí)現(xiàn)超車的戰(zhàn)術(shù)良機(jī)。

結(jié)合上述因素，建議我國GaN企業(yè)繼續(xù)加強(qiáng)具有創(chuàng)新性專利的申請和布局；繼續(xù)縮小與國際領(lǐng)先企業(yè)之間的差距；在積累專利申請數(shù)量的同時(shí)，提升專利質(zhì)量；針對重要技術(shù)規(guī)劃合理的專利保護(hù)范圍，降低后期專利訴訟中專利被無效的風(fēng)險(xiǎn)；圍繞自身核心技術(shù)、關(guān)鍵產(chǎn)品展開高效的專利挖掘工作，實(shí)施合理的專利申請規(guī)劃。此外，建議行業(yè)龍頭強(qiáng)企對國內(nèi)外同行業(yè)有創(chuàng)新競爭力的企業(yè)開展收購，加快技術(shù)的引進(jìn)、吸收、再創(chuàng)新速度；建議相關(guān)行業(yè)協(xié)會建立產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)知識產(chǎn)權(quán)共享機(jī)制，構(gòu)建資源互通與共享體系，借助我國高校和研究機(jī)構(gòu)在GaN方面的研究基礎(chǔ)，推動知識產(chǎn)權(quán)成果轉(zhuǎn)化，鼓勵以許可、轉(zhuǎn)讓等方式將科研院所的高質(zhì)量專利轉(zhuǎn)化給企業(yè)使用，帶動產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動。

5 結(jié)束語

隨著我國GaN企業(yè)市場份額的不斷提升、企業(yè)專利意識的不斷加強(qiáng)，在全球產(chǎn)業(yè)升級的發(fā)展機(jī)遇下，我國GaN企業(yè)應(yīng)明確目標(biāo)、加強(qiáng)合作，通過規(guī)劃專利布局、整合專利資源等手段推動企業(yè)自身知識產(chǎn)權(quán)實(shí)力的提升，進(jìn)而提升在全球產(chǎn)業(yè)競爭中的綜合實(shí)力。