化合物半導體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及布局導向研究
——基于全球化合物半導體的專利分析

王宇航，黃岑宇

(1.鎮(zhèn)江市高等專科學校,江蘇 鎮(zhèn)江 212002；2.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學校,江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

0 引言

半導體材料主要應用于集成電路，主要應用領(lǐng)域為計算機、網(wǎng)絡通信、消費電子、汽車電子、工業(yè)控制等。我國半導體產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)能較低，全球市場競爭力弱，對國外依賴程度較高。伴隨著2015年我國實施的《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》政策，半導體產(chǎn)業(yè)在快速發(fā)展。本研究基于全球?qū)＠畔?，從專利視角分析化合物半導體領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢，以期為化合物半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 專利數(shù)據(jù)檢索及技術(shù)分解

根據(jù)世界知識產(chǎn)權(quán)組織的報告，世界上最大的技術(shù)信息來源渠道就是專利，其中包含了90%以上的全球科研和實驗開發(fā)成果，約70%的成果從來沒有在其他非專利文獻中出現(xiàn)[1]，可見，專利是反映技術(shù)發(fā)展趨勢的重要信息來源[2]。

本研究采用的專利文獻數(shù)據(jù)主要來自中國專利文摘數(shù)據(jù)庫、incoPat科技創(chuàng)新情報平臺，還綜合利用了部分其他專利數(shù)據(jù)庫。檢索方式分主題檢索、申請人檢索和引證追蹤檢索3部分，其中，主題檢索的進一步精準檢測方式又包括初步檢索和精確檢索。本報告檢索的截止日期為2021年1月15日。

為了準確把握技術(shù)發(fā)展方向，精確定位技術(shù)熱點，基于產(chǎn)業(yè)技術(shù)資料收集、專利庫初步檢索以及產(chǎn)業(yè)專家指導，課題組經(jīng)過多次討論和修改，最終形成了化合物半導體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)分解表，如表1所示。

表1 化合物半導體制備技術(shù)分解

2 SiC與GaN成為研發(fā)的熱點方向

電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)是半導體行業(yè)，同時它也代表著國家的科技實力。20世紀40年代，固體量子理論的創(chuàng)建為半導體的能帶理論和P-N結(jié)理論等帶來了發(fā)展，奠定了科技基礎(chǔ)。分析世界銀行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，1980—2007年間，全球半導體產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)出與GDP之間的相關(guān)性越來越高；在1998—2007年這個時間段，相關(guān)性系數(shù)達到了0.79[3]?？梢姡呻娐分圃旃に嚨倪M步在推動半導體產(chǎn)業(yè)不斷追求技術(shù)革新，半導體產(chǎn)業(yè)是科技進步的重要標志和典型代表[4]。因此，本文將對半導體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整進行實證分析。

對化合物半導體產(chǎn)業(yè)各一級技術(shù)分支的全球?qū)＠傮w分布情況進行統(tǒng)計。圖1為全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)各一級技術(shù)分支布局情況以及申請趨勢，從圖1可以看出：SiC的申請量位居第一，占比高達35%，達總申請量的三成以上；緊隨其后的是GaAs和GaN，占比分別達到28%和26%；而InP的申請總量相對偏少。可見，對于SiC的技術(shù)領(lǐng)域而言，吸引著更多的競爭主體，作為第二代半導體材料代表的GaAs和第三代半導體材料代表的GaN，同樣是化合物半導體產(chǎn)業(yè)研發(fā)主體的關(guān)注熱點；相反的，InP這一領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化熱度較低。

圖1 全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)一級技術(shù)分支布局情況及申請趨勢

從各一級技術(shù)分支專利數(shù)量隨時間的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，基本從整體上反映了化合物半導體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化趨勢。從起步來看，GaAs領(lǐng)域起步最早，最早出現(xiàn)于1910年，鍺(Ge)作為最早采用的半導體材料，最早出現(xiàn)是在1958年7月，用在由杰克·基爾比制造的第一塊集成電路上，這塊集成電路是以鍺(Ge)作為襯底制造的，并且在20世紀60年代后期逐漸被硅材料取代。GaAs，SiC以及InP較早展現(xiàn)出專利活躍度的提升，這3個領(lǐng)域的相關(guān)專利申請量從20世紀80年代就呈現(xiàn)出較為明顯的增長；1980—2006年，GaAs，SiC以及InP這3個領(lǐng)域同時歷經(jīng)緩慢增長期，與此同時，SiC的專利申請量甚至慢慢超過GaAs和InP，攀至榜首，在此期間，研發(fā)主體意識到轉(zhuǎn)換SiC，電路和碳化硅器件的技術(shù)最為成熟，研究進展也較快，具有很強的性能和廣闊的應用前景，因此，一直備受重視；在2007—2011年這一階段中，SiC和GaN歷經(jīng)快速增長期，得到空前發(fā)展；2011年之后，SiC和GaN進入穩(wěn)定發(fā)展階段，而GaAs和InP則呈現(xiàn)出波動下降的發(fā)展態(tài)勢?？梢?，對于化合物半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需要的支撐性技術(shù)，SiC和GaN的發(fā)展時間長、研發(fā)基礎(chǔ)雄厚，近些年也仍然在不斷產(chǎn)生新的技術(shù)，整體技術(shù)發(fā)展迅猛，而GaAs和InP技術(shù)則表現(xiàn)出一定程度的創(chuàng)新乏力。因此，GaN的技術(shù)發(fā)展歷史雖短，但和SiC一樣均是當下化合物半導體技術(shù)研發(fā)的熱點方向。

為了更為直觀地展現(xiàn)化合物半導體全球產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方向，進一步將化合物半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展分成5個時間階段，研究不同階段的專利布局變化情況，從而展現(xiàn)全球產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整傾向。圖2和圖3分別為全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)一級技術(shù)分支在不同時間階段的專利申請量趨勢和專利申請量占比趨勢，可以看出，SiC這一技術(shù)分支的相關(guān)專利申請數(shù)量在1990年以后均處于領(lǐng)先地位，明顯高于其他一級技術(shù)分支，然而從專利申請量占比來看，GaN也具備較強優(yōu)勢，而InP已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的萎縮態(tài)勢。

圖2 全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)一級技術(shù)分支在不同階段的專利申請量趨勢

圖3 全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)一級技術(shù)分支在不同階段的專利申請量占比趨勢

總體來看，目前對于SiC與GaN這兩個技術(shù)分支，不論從時間階段的申請量變化趨勢還是占比趨勢來看，都表現(xiàn)出強勁的增長勢頭，受到越來越多創(chuàng)新主體的關(guān)注。

布局意愿分析是根據(jù)統(tǒng)計分析專利數(shù)據(jù)的同族數(shù)量來進一步計算布局因子，針對這一指標的分析可知創(chuàng)新主體對各技術(shù)分支在其他國家或地區(qū)的布局意愿。

對全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)各一級技術(shù)分支進行布局意愿分析可以發(fā)現(xiàn)(見圖4)，布局因子最高的是GaN，可見該技術(shù)領(lǐng)域的申請人并不局限于在本國申請，而是積極布局其他地區(qū)，尋求更為有效的專利保護。此外，布局因子在2以上的技術(shù)分支還有SiC，說明這兩個技術(shù)領(lǐng)域的市場均吸引著眾多創(chuàng)新主體的關(guān)注。而中國申請人占有較大比例的GaAs領(lǐng)域布局因子最低，這是因為中國申請人通常只在本國國內(nèi)申請而不重視國外的專利申請。

圖4 全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)各一級技術(shù)分支布局意愿

3 GaN，SiC，GaAs成為產(chǎn)業(yè)布局的熱點方向

圖5為全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)二級技術(shù)分支的專利申請量及其在各一級技術(shù)分支內(nèi)部的占比情況。從專利申請量來看，GaN的下游應用、SiC的下游應用這兩個技術(shù)領(lǐng)域具有較為明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢，申請量位于第一梯隊，并且分別是各自所在的一級分支中占比最高的二級技術(shù)分支，SiC的下游應用申請量位居第1，其在一級分支的占比達45.22%，而GaN的下游應用在一級分支占比高達50.88%，也就是說GaN和SiC作為當下化合物半導體技術(shù)研發(fā)的熱點方向，其絕大多數(shù)的研發(fā)產(chǎn)出與下游應用技術(shù)相關(guān)。此外，GaAs的芯片制造和下游應用以及GaN的芯片制造專利申請量也都處于領(lǐng)先地位，由于GaAs的芯片制造和下游應用同在一個一級技術(shù)分支中，二者的一級分支占比并不突出，可見GaAs的芯片制造和下游應用以及GaN的芯片制造這3個技術(shù)分支也代表了全球化合物半導體行業(yè)的研究熱點。

圖5 全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)二級技術(shù)分支專利申請量及其在各一級技術(shù)分支內(nèi)部占比情況

綜上所述，從全球情況來看，GaN的芯片制造和下游應用、SiC的芯片制造和下游應用、GaAs的芯片制造和下游應用是化合物半導體產(chǎn)業(yè)布局的熱點方向。

圖6為中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)二級技術(shù)分支的專利申請量及其在各一級技術(shù)分支內(nèi)部的占比情況。從我國范圍來看，GaN的下游應用和SiC的下游應用專利申請量優(yōu)勢表現(xiàn)得更為突出，遠遠超出其他二級技術(shù)分支，可以判斷GaN的下游應用和SiC的下游應用是中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)布局中的絕對優(yōu)勢分支，結(jié)合前文“產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整”部分中所闡述的，GaN的下游應用專利申請量從2007年開始迅猛提升，不難看出，中國GaN的下游應用正處于澎湃的發(fā)展期，可以想象，近年來，第三代半導體材料成為全球半導體市場爭奪的焦點，中國申請人選擇另辟蹊徑，并逐步在化合物半導體產(chǎn)業(yè)構(gòu)建自己的專利版圖。除此之外，GaN的芯片制造、SiC的芯片制造以及GaAs的下游應用這3個技術(shù)分支也具有相當數(shù)量的專利儲備，并且以上3個二級技術(shù)分支也構(gòu)成其所在一級分支的重要組成部分，表明以上3個技術(shù)細分領(lǐng)域也吸引了中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)中創(chuàng)新主體的關(guān)注。

圖6 中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)二級技術(shù)分支專利申請量及其在各一級技術(shù)分支內(nèi)部占比情況

由此可見，中國情況與全球情況有相似之處但仍然存在差別，GaN的芯片制造和下游應用、SiC的芯片制造和下游應用以及GaAs的下游應用是中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)進行布局時較為關(guān)注的熱點方向。

4 化合物半導體材料近年發(fā)展方向

產(chǎn)業(yè)增長熱點方向分析中，分別計算各二級技術(shù)分支下全球和中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)近10年與近5年的專利申請量占比。該占比越大，表明該領(lǐng)域基礎(chǔ)越薄弱，不應作為近期發(fā)展的熱點方向；相反的，該占比越小，表明該領(lǐng)域已經(jīng)不再是近幾年研究的焦點或已發(fā)展到飽和，也不應作為發(fā)展的重點。因此，需要選擇合適的基準范圍并從中挑選出可以發(fā)展的方向。本報告選擇置信區(qū)間作為選擇的基準范圍，以各技術(shù)分支申請量占比的平均值上下浮動標準差作為置信區(qū)間，以選擇出發(fā)展的方向。

圖7為全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)近年申請占比情況。從近5年和近10年的全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)申請占比來看，GaAs的封裝測試，GaN的襯底晶片、芯片制造、下游應用和SiC的襯底晶片、外延生長、芯片制造、下游應用分別位于相應的置信區(qū)間內(nèi)，表明從全球近年發(fā)展情況來看，上述8個技術(shù)分支是較為理想的發(fā)展方向。

圖7 全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)近年申請占比情況

同樣的，圖8為中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)近年申請占比情況。整體來看，中國的近年申請占比明顯高于全球的近年申請占比，中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出更大的研發(fā)熱情和創(chuàng)新活力；此外，中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)在各二級技術(shù)分支中的近年申請占比相較于全球來說顯得更為均衡，也就是說中國創(chuàng)新主體近年來在每個二級技術(shù)分支中均在積極進行相關(guān)專利布局。從近5年和近10年的中國申請占比來看，GaAs的封裝測試、下游應用，GaN的襯底晶片、芯片制造、封裝測試、下游應用，SiC的襯底晶片、外延生長、下游應用以及InP的封裝測試均位于相應的置信區(qū)間內(nèi)，表明從中國近年發(fā)展情況來看，上述10個技術(shù)分支是較為理想的發(fā)展方向。

圖8 中國化合物半導體產(chǎn)業(yè)近年申請占比情況

5 結(jié)語

本文研究了全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及專利布局導向，基于上述專利分析，得出以下結(jié)論：基于專利總體分布情況分析，SiC的申請量位居第1，InP領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化熱度較低，中國申請人占有較大比例的是GaAs領(lǐng)域；對產(chǎn)業(yè)布局熱點方向進行分析發(fā)現(xiàn)，GaN的芯片制造和下游應用、SiC的芯片制造和下游應用、GaAs的芯片制造和下游應用是化合物半導體產(chǎn)業(yè)布局的熱點方向；從近5年和近10年的全球化合物半導體產(chǎn)業(yè)申請占比來看，GaAs的封裝測試，GaN的襯底晶片、芯片制造、下游應用和SiC的襯底晶片、外延生長、芯片制造、下游應用是較為理想的發(fā)展方向。