半導(dǎo)體紫外器件及應(yīng)用技術(shù)全球?qū)＠麢z索與信息分析

呂天剛，呂鶴男，王躍飛，劉秀娟

（1.鴻利智匯集團股份有限公司，廣東 廣州 510890；2.廣州市帝亞照明股份有限公司，廣東 廣州 510890；3.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007）

半導(dǎo)體紫外發(fā)射二極管（Semiconductor ultraviolet-emitting diodes，英文縮寫UV LED），又稱半導(dǎo)體紫外光源、固態(tài)紫外光源。是基于第三代半導(dǎo)體技術(shù)的固態(tài)紫外光源，與新型LED照明、大功率電力電子器件并列為第三代半導(dǎo)體技術(shù)3大方向。與傳統(tǒng)紫外光源相比具有很多顯著優(yōu)勢，如：節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積輕小、啟動快、易調(diào)制和易與數(shù)字電路兼容等。紫外發(fā)射二極管是目前氮化物技術(shù)發(fā)展和第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，擁有廣闊的應(yīng)用前景。將在包括殺菌消毒、醫(yī)療、化工、環(huán)境凈化、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)制造、無創(chuàng)光療、非視距保密通信在內(nèi)的眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1]。當(dāng)前，致死率極高的新型冠狀病毒（COVID-19）還在全球大流行，為抑制和減輕導(dǎo)致該疾病的冠狀病毒2型（SARS-CoV-2）的傳播，人們加速了對環(huán)境控制的探索，這進一步刺激了紫外行業(yè)在殺菌、空氣凈化與水處理領(lǐng)域的推廣，半導(dǎo)體紫外光源上下游的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化步伐正在加快。

根據(jù)WIPO的統(tǒng)計，全世界每年發(fā)明創(chuàng)造成果的90%～95%體現(xiàn)在專利文獻中，其他的技術(shù)文獻和雜志中能零星地看到5%～10%[2]。專利數(shù)量與專利質(zhì)量是技術(shù)實力的重要表現(xiàn)形式，專利全球布局和時間曲線反映了產(chǎn)業(yè)態(tài)勢和技術(shù)演化軌跡，且記載了各專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的最新科技成果，充分利用專利信息是增強創(chuàng)新能力，實現(xiàn)創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展的有效途徑。目前，針對半導(dǎo)體紫外光源行業(yè)的專利信息分析研究十分稀缺。本研究以PatSnap智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫和專利檢索平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合行業(yè)特點進行專利信息檢索和技術(shù)分析（圖1）。

圖1 半導(dǎo)體紫外器件（上）及應(yīng)用設(shè)備（下）

1 項目背景

目前，該領(lǐng)域技術(shù)和市場都還處于萌芽期，核心技術(shù)主要集中在美、日、韓及歐洲的少數(shù)企業(yè)和研究機構(gòu)手中，如美國的HexaTech、SETi、RayVio、Crystal IS等，日本的NICHIA NITRIDE、TOYODA、NIKKISO、NITRIDE、Asahi-KASEI、TOKUYAMA、DOWA等，韓國的LG Innotek、Seoul、Viosys等。他們中很多深耕此研究超過10年，憑借其在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的雄厚基礎(chǔ)，不斷取得創(chuàng)新性突破。相比之下，國內(nèi)技術(shù)水平明顯落后，尤其在深紫外領(lǐng)域，差距更大。在AlGaN核心材料開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面更是基礎(chǔ)薄弱。

LEDinside《2018紫外線LED應(yīng)用市場報告-固化、醫(yī)療、殺菌》預(yù)估2022年UV LED市場產(chǎn)值將超過12億美元。研究機構(gòu)Yole分析師預(yù)測，受UVC應(yīng)用推動，UV LED市場將在2023年達到10億美元[3]。由于受到產(chǎn)業(yè)端和需求端多方的關(guān)注和大力投入，半導(dǎo)體紫外技術(shù)迅速發(fā)展，雖然目前主要以固化和印刷應(yīng)用為主，但隨著深紫外技術(shù)的成熟和上下游產(chǎn)業(yè)鏈的完善，預(yù)計未來3-5年內(nèi)深紫外產(chǎn)業(yè)將成半導(dǎo)體紫外市場擴張的主力軍。市場即將進入快速增長期，新興市場利益之爭越來越激烈。2016年Seoul Viosys在美國訴Salon，2018年SETi在 美 國 訴Bolb和Q-egg，2018年LG Innotek在 美 國 訴Evergreat，2018年Nitride在日本訴RayVio和Digi－Key Corp，等等。

對于專利信息分析，國外學(xué)者K.Brockhoff認(rèn)為由于專利含有技術(shù)創(chuàng)新的信息，通過對專利信息進行科學(xué)分析，掌握技術(shù)的發(fā)展程度，及技術(shù)與技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)，從而反映行業(yè)發(fā)展趨勢。美國的Richard S.Camphell認(rèn)為專利信息是技術(shù)創(chuàng)新預(yù)測的科學(xué)依據(jù)，專利信息分析可以對現(xiàn)有技術(shù)成熟程度的評價和技術(shù)發(fā)展方向的預(yù)測。本項目經(jīng)收集整理、深度挖掘、整合轉(zhuǎn)化之后獲取的信息，具有反映深層次規(guī)律的功能，主要用于對未來技術(shù)發(fā)展方向和研發(fā)方向的預(yù)測與決策，同時對于分析大的競爭環(huán)境具有重要作用[4]。

2 專利檢索

2.1 檢索條件

定義：半導(dǎo)體紫外發(fā)射二極管，英文縮寫UV LED，Semiconductor ultraviolet-emitting diodes，又稱半導(dǎo)體紫外光源、固態(tài)紫外光源。

分類：按波長分為（1）UV-A，315 nm＜λ≤400 nm；（2）UV-B，280 nm＜λ≤315 nm；（3）UV-C，200 nm＜λ≤280 nm（GB/T 2900—65中為100~280 nm）。按產(chǎn)業(yè)鏈分為芯片、器件和應(yīng)用。按應(yīng)用領(lǐng)域分為印刷、固化、殺菌、醫(yī)療、化工、分析和信號等。

檢索目標(biāo)區(qū)域：全球檢索。

檢索語言：中英文混合檢索。

檢索工具：PatSnap智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫（https：//analytics.zhihuiya.com/）。

2.2 總體檢索策略

采用總-分-總方式，分別查UV技術(shù)分支和LED技術(shù)分支的全部專利，查得UV和LED 2個獨立的技術(shù)專利集，將2個專利集合相與，再對結(jié)果進行去噪、查全、補全、查準(zhǔn)等操作，得目標(biāo)專利文獻。

2.3 檢索過程總結(jié)

在PatSnap智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫環(huán)境下，采用高級檢索。

檢索所有紫外（A1）→檢索所有LED（A2、A3）→并集（SA1=A1&A2）→分析噪聲（SZ1、SZ2、SZ3）→去噪聲（SA2=SA1-SZ3）→第1次制作查全樣本P1→第1次查全（P1&SA2）→補全檢索（AP1、AP2）→補全SA3=SA2/（AP1/AP2）→第2次制作查全樣本（P2）→第2次查全（P2&SA3）→查準(zhǔn)（P）→結(jié)束。

檢索結(jié)果：共計151K條專利，去重，110K條專利，簡單同族，SA3=68.2K條專利。

3 專利信息分析

根據(jù)專利檢索數(shù)據(jù)，對現(xiàn)狀和趨勢進行分析，內(nèi)容包括全球?qū)＠植棘F(xiàn)狀（技術(shù)來源、目標(biāo)市場等）、申請趨勢、技術(shù)生命周期、技術(shù)構(gòu)成、主要申請人、重點專利、訴訟情況等。

3.1 全球?qū)＠植棘F(xiàn)狀

截止2020年3月26日本檢索完成時，通過對半導(dǎo)體紫外器件及應(yīng)用技術(shù)全球?qū)＠麢z索，共獲得68 248組簡單同族專利，相關(guān)專利來自于116個國家或地區(qū)。

其中，相關(guān)專利技術(shù)來源國/地區(qū)來源地排名前10的包括日本、美國、中國、韓國、德國、歐洲、英國、中國臺灣、法國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織。幫助了解該國家/地區(qū)的技術(shù)創(chuàng)新能力和活躍程度。也可以側(cè)面反映出持有該技術(shù)的主要公司分布，如圖2（a）所示。相關(guān)專利技術(shù)目標(biāo)市場國/地區(qū)排名前10的包括：日本、美國、中國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織、歐洲、韓國、加拿大、澳大利亞、德國、中國臺灣，如圖2（b）所示。如圖3所示，分析技術(shù)主要布局在哪些國家/地區(qū)，專利申請量的多少在一定程度上反映了該目標(biāo)市場的受關(guān)注程度。這可以幫助企業(yè)在做技術(shù)戰(zhàn)略布局時，評估哪些是需要主要關(guān)注的國家/地區(qū)，以及哪些國家/地區(qū)均未被布局，是否可能成為潛在的機會點。

圖2 技術(shù)來源地與目標(biāo)市場地分布圖

圖3 重要技術(shù)分支地域分布

3.2 申請趨勢

專利申請趨勢圖展示的是專利申請量的發(fā)展趨勢。通過申請趨勢可以從宏觀了解該技術(shù)領(lǐng)域在各時期的專利申請熱度變化。

專利申請趨勢分析是一種宏觀分析方法，主要目的是通過對專利申請數(shù)量的分析，判斷產(chǎn)品技術(shù)所處的發(fā)展階段，為企業(yè)確定發(fā)展方向提供指導(dǎo)。

半導(dǎo)體紫外專利申請趨勢分析如圖4所示，本趨勢圖選取了該技術(shù)領(lǐng)域近20年專利申請數(shù)據(jù)。根據(jù)專利申請量變化趨勢，該技術(shù)起步較早，近20年一直在穩(wěn)步增長且目前正處于快速發(fā)展階段。需要說明的是，由于公開日期較申請日期有延遲，所以該圖中未能完整體現(xiàn)2019年和2020年申請數(shù)據(jù)。

圖4 申請趨勢

實際上，國外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)研究在更早之前就開始了，如，成立于1997年的美國Crystal IS（2016年被日本Asahi-KASEI合并）是專門研究開發(fā)UVC半導(dǎo)體器件氮化鋁（AlN）襯底技術(shù)的公司。日本NITRIDE半導(dǎo)體公司也是于1997年就開始研究UV-A、UV-B、UV-C全波段紫外LED的圓片、芯片、器件和應(yīng)用技術(shù)了。

3.3 技術(shù)生命周期

利用專利申請量與專利申請人數(shù)量隨時間的推移而變化來幫助分析當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)域生命周期所處階段。通過這個圖可以幫助評估技術(shù)發(fā)展的階段，用來判斷是否需要進入當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)域[5]。

生命周期（Life Cycle，LC）的概念來自自然生態(tài)系統(tǒng)，一般人們將其引用于社會經(jīng)濟系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，用以描述社會經(jīng)濟現(xiàn)象的某些類似于自然生態(tài)系統(tǒng)的生命特征[6]。1966年哈佛大學(xué)教授Raymond Vernon在《International Investment and International Trade in the Product Cycle》中首次提出了產(chǎn)品生命周期理論[7]，與產(chǎn)品生命周期類似，技術(shù)的發(fā)展會經(jīng)過技術(shù)生命周期的不同階段，各階段具有不同特性，這些特性會影響高新技術(shù)戰(zhàn)略選擇與調(diào)整、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級。泰瑟思認(rèn)為技術(shù)生命周期可以分為4個階段：一般研究發(fā)展階段、應(yīng)用研發(fā)階段、大量制造生產(chǎn)階段及市場擴張階段[8]。哈利勒在敘述技術(shù)生命周期不同階段與市場成長率時，把技術(shù)分為6個周期：技術(shù)開發(fā)期、開始應(yīng)用期、應(yīng)用成長期、技術(shù)成熟期、替代技術(shù)期、技術(shù)衰退期。

目前，半導(dǎo)體紫外器件及應(yīng)用技術(shù)處于泰瑟思理論的第一、二階段過渡期，哈利勒理論的第二、三階段過渡期（圖5）。

圖5 技術(shù)生命周期

3.4 技術(shù)構(gòu)成分析

分析主要技術(shù)分支的占比情況，可以幫助了解各技術(shù)分支的創(chuàng)新熱度，以及當(dāng)前技術(shù)布局的空白點可能是潛在機會。

如圖6所示，半導(dǎo)體紫外器件及應(yīng)用技術(shù)涉及的IPC國際專利分類號主要有H01L33、H01L21、A61L2、C09K11、C02F1、G01N21等，其中，占比最大的分類是H01L33，即：至少有1個電位躍變勢壘或表面勢壘的專門適用于光發(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；這些半導(dǎo)體器件的零部件（H01L51/00優(yōu)先；由在1個公共襯底中或其上形成有多個半導(dǎo)體組件并包括具有至少1個電位躍變勢壘或表面勢壘，專門適用于光發(fā)射的器件入H01L27/15；半導(dǎo)體激光器入H01S5/00）。

圖6 技術(shù)構(gòu)成分析

3.5 申請人排名分析

該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)哪些公司擁有的專利總量最多，幫助了解該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的主要公司和競爭威脅。

如圖7所示，半導(dǎo)體紫外器件及應(yīng)用技術(shù)專利申請量全球排名USHIO、SEOUL VIOSYS、SEIKO EPSON、PANASONIC、TOYODA GOSEI、KONICA、FUJIFILM、LG INNOTEK、NICHIA、ASAHIK ASEI。

圖7 全球申請人排名

3.6 重點專利

3.6.1 被引用最多的專利

如圖8所示，被引用最多的專利表示已被廣泛應(yīng)用并且有很多人借鑒這些技術(shù)，這些專利更具影響力并代表著該技術(shù)領(lǐng)域的核心創(chuàng)新技術(shù)。

圖8 被引用最多的專利

3.6.2 規(guī)模最大的專利家族

如圖9所示，識別全球范圍內(nèi)規(guī)模最大的專利家族，這些專利被在全球廣泛布局保護。

圖9 規(guī)模最大的專利家族

當(dāng)分析偏好選擇為[全部專利記錄]、[每件申請顯示一個公開文本]和[每組擴展同族一個專利代表]時，此圖表專利家族使用擴展同族計算。

分析偏好選擇[每組簡單同族一個專利代表]、[每組INPADOC同族一個專利代表]時，此圖表專利家族使用設(shè)置的去重方式計算。

3.7 訴訟情況

如圖10所示，最多訴訟專利幫助確定構(gòu)成最高訴訟威脅，這代表了值得注意的研發(fā)雷區(qū)。

圖10 訴訟數(shù)量

通過專利訴訟獲得市場競爭優(yōu)勢是國際企業(yè)慣用手段[9]，紫外LED行業(yè)也是如此。2016年Seoul Viosys在美國訴Salon，2018年SETi在美國訴Bolb和Qegg，2018年LG Innotek在美國訴Evergreat，2018年Nitride在日本訴RayVio和Digi－Key Corp……。

此外，專利也是部分國家實施貿(mào)易壁壘的手段，最為人熟知的即美國的337調(diào)查。三代半導(dǎo)體技術(shù)的另一分支——新型LED照明產(chǎn)業(yè)的整個發(fā)展過程都深受337調(diào)查的困擾。慶幸的是中國企業(yè)在LED照明相關(guān)的專利技術(shù)、市場份額、產(chǎn)業(yè)配套等各個方面，都已掌握了主動權(quán)，并且相關(guān)爭端解決機制也慢慢成熟，這從近2年的LED產(chǎn)業(yè)337調(diào)查的勝訴案例即可看出，如2018年LED舞臺燈337案和2019年LED顯示屏案[10-11]。

為制勝市場競爭，創(chuàng)新主體在將專利運用于市場競爭的過程中，一是可著眼于相關(guān)專利更快更好地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，促使其所儲備的專利能夠更加精準(zhǔn)、高效地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭的核心優(yōu)勢；二是可著眼于維護市場運營安全，一方面及時發(fā)現(xiàn)和規(guī)避專利風(fēng)險，防患于未然，另一方面依托其儲備的專利建立對主要競爭對手的戰(zhàn)略威懾，確保企業(yè)市場行動自由和研發(fā)行動自由；三是可著眼于市場收益的取得，依托具有市場化潛質(zhì)的專利來直接進行運營運用，以建立企業(yè)新的利潤增長點。在以新技術(shù)突破為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)變革和市場競爭中，上述一系列作用更加突出。就此而言，專利堪稱創(chuàng)新主體有效參與市場競爭的“戰(zhàn)斗員”[12]。

4 結(jié)束語

本文研究了半導(dǎo)體紫外器件及應(yīng)用技術(shù)，通過PatSnap智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫環(huán)境下高級檢索形式，采用總-分-總方式，對相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠M行了全球檢索。分別查UV技術(shù)分支和LED技術(shù)分支的全部專利，查得UV和LED 2個獨立的技術(shù)專利集，將2個專利集合相與，再對結(jié)果進行去噪、查全、補全、查準(zhǔn)等操作，共獲得符合條件的專利數(shù)據(jù)樣本6.82萬個。并對獲得的樣本進行技術(shù)分析，得出全球?qū)＠植棘F(xiàn)狀、申請趨勢、技術(shù)生命周期、技術(shù)構(gòu)成、申請人、重要專利及專利訴訟情況等重要信息，為本行業(yè)技術(shù)研發(fā)戰(zhàn)略的制定、專利布局及專利策略的制定等提供可靠技術(shù)依據(jù)。