第三代半導(dǎo)體材料專利分析

張帆

廣東省知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心 廣東 廣州 510670

1 第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展簡(jiǎn)介

第三代半導(dǎo)體材料主要包括碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅和金剛石等禁帶寬度大于或等于2.3eV的半導(dǎo)體材料，因此又被稱作寬禁帶半導(dǎo)體材料。其是支撐固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”材料和電子元器件，可以起到減小體積簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提升功率密度的作用，在半導(dǎo)體照明、5G通信技術(shù)、新能源汽車等戰(zhàn)略新興領(lǐng)域有非常誘人的應(yīng)用前景，正成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的科技制高點(diǎn)和新一輪科技革命的鑰匙[1-3]。目前SiC和GaN的發(fā)展相對(duì)較為成熟，商業(yè)化程度最高，ZnO、AlN 和金剛石的研究尚屬起步階段，因此本文主要選取SiC和GaN這兩種目前應(yīng)用最廣泛的第三代半導(dǎo)體材料進(jìn)行專利分析。

2 第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)分支

基于產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成及熱點(diǎn)技術(shù)，由于SiC和GaN是應(yīng)用廣泛，將第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)分為SiC和GaN兩個(gè)具有代表性的一級(jí)技術(shù)分支。為了使本文更加具有前沿材料分析的針對(duì)性，本文主要聚焦為SiC和GaN及其制備進(jìn)行專利分析，分析不包括半導(dǎo)體封裝和純器件應(yīng)用（該兩個(gè)分支一般劃入集成電路分析），根據(jù)SiC和GaN的制備技術(shù)，技術(shù)分解表如表1所示[4]。

表1 碳化硅和氮化鎵技術(shù)分支

3 第三代半導(dǎo)體材料專利總體態(tài)勢(shì)

本文選擇商用專利檢索平臺(tái)incoPat進(jìn)行專利檢索與分析，所有數(shù)據(jù)及分析圖表均來(lái)自該平臺(tái)。在進(jìn)行檢索前，首先對(duì)碳化硅和氮化鎵主要IPC分類號(hào)進(jìn)行提取，并結(jié)合其在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用和服務(wù)，提煉出碳化硅和氮化鎵及其制備技術(shù)的關(guān)鍵詞。然后利用關(guān)鍵詞結(jié)合IPC分類號(hào)確定相應(yīng)的檢索式。同時(shí)進(jìn)行去除檢索噪聲處理，排除與分析無(wú)關(guān)的專利。從2000年1月1日至2021年10月28日，第三代半導(dǎo)體材料兩種代表性材料碳化硅和氮化鎵及其制備技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)量18109件。

3.1 全球?qū)＠暾?qǐng)態(tài)勢(shì)分析

圖1是2000年至2021年全球?qū)＠暾?qǐng)量變化圖，圖中顯示從2001年開(kāi)始專利量迅猛增加，這說(shuō)明進(jìn)入21世紀(jì)后各國(guó)越來(lái)越重視第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的專利申請(qǐng)。而2002年至2021年（由于2020-2021年部分專利未公開(kāi)，分析時(shí)排除該2年申請(qǐng)量），年均申請(qǐng)量基本維持在800件以上。不同于集成電路領(lǐng)域，第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量沒(méi)有急劇增長(zhǎng)。這是因?yàn)椴牧项I(lǐng)域是一個(gè)基礎(chǔ)領(lǐng)域，其產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)收益的時(shí)間周期較長(zhǎng)，需要連續(xù)不斷地研發(fā)投入，同時(shí)新材料技術(shù)的突破也需要較長(zhǎng)的研究時(shí)間。

圖1 2000年至2021年全球?qū)＠暾?qǐng)量變化

經(jīng)過(guò)檢索，2000年至2021年全球?qū)＠暾?qǐng)人申請(qǐng)量前10位申請(qǐng)人全部是企業(yè)，中國(guó)無(wú)申請(qǐng)人上榜，這說(shuō)明中國(guó)急需提高第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的研發(fā)能力，加強(qiáng)專利布局。前10位申請(qǐng)人中日本占據(jù)6席，占有量超過(guò)了一半，韓國(guó)占據(jù)2席，美國(guó)和德國(guó)各占一席，排名第一的是日本的住友公司，美國(guó)的科銳公司和日本的豐田公司分居二三位。這說(shuō)明日本非常重視第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的專利申請(qǐng)，在專利申請(qǐng)量上獲得了優(yōu)勢(shì)，且日本公司非常重視對(duì)半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料的研究。

對(duì)前10位公司的申請(qǐng)領(lǐng)域和重點(diǎn)專利進(jìn)行分析和梳理，并結(jié)合各國(guó)和地區(qū)第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)鏈，得出了以下信息：

日本在第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)力量雄厚，產(chǎn)業(yè)鏈完整，是設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)的領(lǐng)先者，擁有住友電氣、三菱化工、松下、羅姆半導(dǎo)體、富士電機(jī)等知名廠商，具有集團(tuán)優(yōu)勢(shì)。美國(guó)在碳化硅領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，擁有Cree、II-VI、Dow Corning等世界頂尖企業(yè)。歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，獨(dú)有高端光刻機(jī)制造技術(shù)、擁有英飛凌、意法半導(dǎo)體等優(yōu)勢(shì)制造商。韓國(guó)重點(diǎn)研發(fā)和生產(chǎn)高純度SiC粉末、高質(zhì)量SiC外延材料以及硅基SiC和GaN功率器件。

中國(guó)在該領(lǐng)域處于追趕地位，起步晚，布局快，面臨諸多挑戰(zhàn)，代表公司有山東天岳和三安光電。

3.2 中國(guó)大陸地區(qū)專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分析

經(jīng)過(guò)檢索，2000-2021年中國(guó)地區(qū)專利申請(qǐng)人排名，前10位申請(qǐng)人中，科研機(jī)構(gòu)及大學(xué)占到了6位，超過(guò)了一半。對(duì)比全球前10位申請(qǐng)人全部為企業(yè)可知，國(guó)內(nèi)在第三代半導(dǎo)體材料的研究中，科研機(jī)構(gòu)及大學(xué)占比非常高，這說(shuō)明國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)化程度還不高，創(chuàng)新資源急需向企業(yè)聚集。

對(duì)前10位申請(qǐng)人的申請(qǐng)領(lǐng)域和重點(diǎn)專利進(jìn)行分析和梳理，得出了以下信息：

排名第一的中國(guó)科學(xué)院旗下申請(qǐng)第三代半導(dǎo)體材料相關(guān)專利的機(jī)構(gòu)主要有中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等，且這些研究所及分支機(jī)構(gòu)在全國(guó)各地均有布局。

排名第二的華南理工大學(xué)建有廣東省高端芯片智能封測(cè)裝備工程實(shí)驗(yàn)室及廣東省第三代半導(dǎo)體材料與器件工程實(shí)驗(yàn)室。主要領(lǐng)域集中在氮化鎵領(lǐng)域，研究人員主要有李明強(qiáng)教授等人。排名第四的西安電子科技大學(xué)研究領(lǐng)域也主要集中在氮化鎵領(lǐng)域。研究人員主要有郝躍院士等人。

企業(yè)的主要申請(qǐng)人領(lǐng)域主要有排名第二的廈門三安光電股份有限公司和山東天岳先進(jìn)材料有限公司。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上可知，第三代半導(dǎo)體材料行業(yè)集中度低，缺乏真正的龍頭企業(yè)，國(guó)內(nèi)創(chuàng)新主體中研究院所占比較高，這是由于材料屬于基礎(chǔ)學(xué)科，投入回報(bào)周期長(zhǎng)，大部分企業(yè)難以承受長(zhǎng)期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。存在的主要短板有：一是進(jìn)行研發(fā)的主要是科研機(jī)構(gòu)和中小企業(yè)，缺乏具有產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用的龍頭企業(yè)；二是研究主要集中在氮化鎵領(lǐng)域，碳化硅領(lǐng)域的企業(yè)較少和基礎(chǔ)研究較為薄弱。

對(duì)于國(guó)內(nèi)及廣東省第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)，主要建議如下：

一是加強(qiáng)政策支持及產(chǎn)學(xué)研合作。在2025中國(guó)制造及集成電路半導(dǎo)體企業(yè)減稅等政策的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對(duì)第三代半導(dǎo)體材料等基礎(chǔ)材料研究加強(qiáng)扶持政策。發(fā)揮中科院半導(dǎo)體所等科研院所科研能力較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研的連接強(qiáng)度和深度，促進(jìn)創(chuàng)新資源向企業(yè)集中。發(fā)揮華南理工大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的作用，鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研合作和成果技術(shù)轉(zhuǎn)化。加強(qiáng)第三代半導(dǎo)體材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)基地、園區(qū)、孵化器建設(shè)，打造第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)特色集聚區(qū)。

二是打造龍頭企業(yè)和具有特色的專精特新企業(yè)。廣東缺乏擁有產(chǎn)業(yè)鏈的龍頭領(lǐng)軍企業(yè)，所以應(yīng)當(dāng)著力打造第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，支持中鎵半導(dǎo)體等企業(yè)做強(qiáng)做大。積極培育專精特新企業(yè)，錯(cuò)位競(jìng)爭(zhēng)，重點(diǎn)突破短板領(lǐng)域，加強(qiáng)碳化硅領(lǐng)域的企業(yè)培育。積極開(kāi)展企業(yè)高價(jià)值專利培育工作，引導(dǎo)企業(yè)利用省內(nèi)各知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心的專利快速審查通道縮短專利授權(quán)周期，提升企業(yè)特別是中小企業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)創(chuàng)造、運(yùn)用和保護(hù)的能力。

三是加強(qiáng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和專利聯(lián)盟建設(shè)。鼓勵(lì)科研院所、企業(yè)聯(lián)合發(fā)展。廣東省擁有數(shù)量眾多的中小企業(yè)，應(yīng)引導(dǎo)其建立第三代半導(dǎo)體材料的專利聯(lián)盟或?qū)＠?，通過(guò)專利池建設(shè)加強(qiáng)中心企業(yè)應(yīng)對(duì)專利糾紛風(fēng)險(xiǎn)的能力。圍繞重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和技術(shù)開(kāi)展知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)議和專利導(dǎo)航，利用發(fā)明人的專利數(shù)據(jù)等信息資源關(guān)注全球和全國(guó)主要發(fā)明人，對(duì)全球主要發(fā)明人的技術(shù)創(chuàng)新方向和核心創(chuàng)新能力保持密切關(guān)注，防止重大項(xiàng)目的重復(fù)建設(shè)，提高重大研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力。

四是積極制定知識(shí)產(chǎn)權(quán)海外糾紛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略。廣東省一向是涉及海外知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛的主戰(zhàn)場(chǎng)，應(yīng)當(dāng)整合省內(nèi)的國(guó)家海外知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛應(yīng)對(duì)指導(dǎo)中心廣東分中心等資源，積極制訂風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)方案，提升企業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)海外糾紛應(yīng)對(duì)能力。發(fā)揮知識(shí)產(chǎn)權(quán)海外侵權(quán)保險(xiǎn)等金融工具的作用，降低企業(yè)海外知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛應(yīng)對(duì)成本。