5G時代半導體產業專利布局現狀及中國企業發展建議

王晶 王科

2015年6月，國際電信聯盟確定5G正式名稱、愿景和時間表等關鍵內容。2017年11月15日，工業和信息化部發布《關于第五代移動通信系統使用3300～3600MHz和4 800～5 000MHz頻段相關事宜的通知》[1]。

5G大規模商用時代正在一步步向我們走來，除了毫米波技術、大規模集成天線和編碼技術、超密集組網等關鍵技術外，還有更為基礎的半導體器件對5G技術的發展有至關重要的影響。

隨著數據速率的快速增長，特別是從4G到5G，無線網絡的傳輸速度呈現跨越式提升，對基站以及移動終端設備的要求隨之增強，需要配備更新更快的應用處理器、基帶以及射頻器件。以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第3代半導體材料，因為其所具有的更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場等特性，更適用于制備5G技術中所需要的半導體器件、特別是5G通訊中所需的大功率器件，在5G通訊應用中有著非常廣闊的前景和機遇。

本文以包括SiC、GaN在內適用于5G技術中的半導體材料及其半導體器件專利文獻為研究樣本，通過對全球專利申請趨勢、中國專利布局現狀、全球領先企業的專利布局情況進行分析，揭示適用于5G技術中的半導體領域（“以下稱5G半導體產業”）的專利整體發展趨勢、專利布局區域分布情況以及中國在該領域專利布局現狀（見圖1），最終從專利的角度為中國企業在5G半導體產業的發展提出建議。

1 5G半導體產業發展趨勢

從專利申請趨勢來看，以SiC、GaN、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的第3代半導體材料的研究發展起步時間較早。其中，SiC以及GaN早在20世紀就開始進行研究，特別是SiC材料早在1905年就在隕石中被發現，20世紀50代西屋公司研究SiC單晶獲取方式并應用SiC材料作為晶體管材料；GaN專利申請晚于SiC材料，最早是1963年由美國柯達公司申請的GaN材料相關專利，其中IBM于1971年提出在半導體器件中使用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問題的困擾，因而發展十分緩慢。從專利申請趨勢也可以看出，在1961—1996年期間專利申請量增長緩慢，僅貢獻了14.1%的專利申請總量。

20世紀90年代后期隨著材料生長技術的日趨成熟，從1997年德國英飛凌布局SiC半導體器件專利開始，各大半導體廠商開始大量布局SiC材料、GaN材料以及相關半導體器件的專利，專利數量快速增長，進入發展的黃金時期。其中，1997—2010年期間的專利申請量占比達到了37.2%；2011—2019年期間的專利申請量占比達到了48.7%。并且，隨著5G通訊技術的研發，對以GaN為代表的第3代半導體材料的需求越來越大。由此看來，應用于5G技術的半導體材料在未來幾年會再次形成一次研發熱潮。

2 地域分布情況現狀

從全球5G半導體產業的專利布局區域分布情況（見圖2）來看，中國是目前全球5G半導體產業最大的專利布局區域，雖然中國5G半導體產業起步較晚，但國家和各地方政府陸續推出政策和產業扶持基金發展包括SiC和GaN材料在內的第3代半導體相關產業，不少地方政府也有針對性對當地具有一定優勢的SiC和GaN材料企業進行扶持[2]，因此近年來年度專利申請量遠超過其他區域。

日本是全球第2大專利布局區域，住友集團（SUMITOMO）、三菱集團（MITSUBISHI）、株式會社日立制作所（HITACHI）等在SiC以及GaN領域研發實力雄厚，擁有大量專利。同時，日本申請人不僅通過世界知識產權組織（World Intellectual property organization，WIPO）和歐洲專利局（European Patent Office，EPO）提交大量的專利申請，同時也在其主要的市場國進行了有針對性的專利布局，一定程度上反映了日本5G半導體產業的申請人全球多地區布局的意識非常強烈。

美國在全球5G半導體產業的專利申請量居全球第3位，美國國防部、能源部、科學技術委員會及其部分產學研機構紛紛制訂有關SiC、GaN等半導體材料的開發項目[3]，積極推進5G半導體產業的技術研發以及戰略部署，搶占市場。

而從主要國家/地區在5G半導體產業SiC、GaN材料的專利申請量布局情況來看，目前SiC布局的熱度仍略高于GaN材料，且布局技術主要以SiC半導體器件以及GaN半導體器件為主。雖然中國專利申請量在全球居于首位，但結合研發時間及科研實力，SiC材料及SiC半導體器件領域美國、日本在全球的布局量具有絕對優勢，居于領導地位。同樣，GaN技術日本以及美國也擁有較強實力。

3 全球申請人分布情況現狀

從全球5G半導體產業專利申請人排名情況來看，住友集團（SUMITOMO）在5G半導體產業的全球專利申請量排名第1，是5G半導體產業領跑者，MITSUBISHI、美國科銳（CREE）、松下（Panasonic）和 HITACHI分列第2～5位。中國本土申請人中，中芯國際（SMIC）、西安電子科技大學、電子科技大學、中國科學院半導體研究所、中國科學院微電子研究所進入全球前20榜單（見圖3）。此外，日本企業表現突出，在排名前10的申請人中有6位日本企業，在5G半導體產業擁有較強實力。

4 中國專利申請現狀

我國在開展SiC、GaN等適用于 5G技術半導體材料和器件方面的研究工作比較晚，20世紀80年代末期東北工學院、湖北工業大學以及中國科學院金屬研究所逐漸開始在SiC提取方面開展研究并進行專利布局，但由于國外公司已經在全球范圍內進行了大量的專利布局，并已著手在中國進行專利布局，技術發展阻力較大。

從專利來源來看，有27.1%的中國專利來自國外申請人，72.9%來自中國本土申請人，美、日、歐等國家和地區在中國已經進行了大量的專利部署（見圖4）。國外來華申請人中，來自日本、美國的專利占比高達78%，其中來自日本的SUMITOMO、MITSUBISHI、日本Panasonic，德國英飛凌（Infineon）科技公司、美國的CREE等針對我國市場實施了不同程度的專利布局。

按照省份排名來看，江蘇、廣東、陜西是5G半導體產業專利申請量排名前3的省份，來自江蘇省的中國電子科技集團公司第五十五研究所、東南大學、南京大學等，來自廣東的華南理工大學、中山大學等，來自陜西的西安電子科技大學、西安交通大學、西北工業大學在5G半導體領域積極探索并實施專利布局策略。

按照城市排名來看，北京市、上海市、西安市是5G半導體產業專利申請量排名前3的城市，表1為排名前3的城市排名前3的申請人名單，可以看出，北京市和西安市以高校申請人為主，上海市排名前3的申請人企業申請人占主要力量。

5 中國技術創新主體

從中國5G半導體產業領域的申請人排名（表2）來看，排名前20的中國本土申請人以高校和研究所為主，其中西安電子科技大學和電子科技大學的專利申請量最多，前20榜單中僅有2家中國本土企業，其中SMIC在中國專利申請量排名第1。并且排名前20的申請人中，來自于日本的申請人有3家，分別是SUMITOMO、MITSUBISHI與Panasonic；韓國1家，為SAMSUNG，美國有2家，分別為CREE和IBM；德國1家，為Infineon。

從中國5G半導體產業領域的申請人排名分析可以再次看出，我國5G半導體產業領域技術主要掌握在高校及科研院手中，企業申請人整體水平在該領域實力并不突出；并且，住友、科銳等全球技術領先企業已在中國進行大量的專利布局，對中國企業的發展具有較大威脅。

6 相關建議

從前面分析來看，美日歐等發達國家通過制定相關的產業政策以及技術扶持計劃，培養了眾多龍頭企業，在以SiC和GaN材料為代表的5G半導體產業已經占領了技術和市場的高地。而與此同時，中國資本試圖收購國外優秀化合物半導體企業以快速獲取人才和技術，卻頻頻遭遇美國政府以危害國家安全為由予以否決[4]。

雖然目前我國已在5G半導體技術領域已經布局有大量專利，但全球的核心技術多掌握在全球知名的電器及電子公司手中，尤其是目前對產業線有掌控力的住友、科銳、英飛凌等，且中國5G半導體產業的專利主要來源于高校及科研院所，中國本土企業在市場規模和專利布局方面與這些公司差距明顯。

但是不可否認的是，隨著中國移動通信產業的發展壯大，我國在5G通信中已經擁有一席之地，這為我國5G半導體產業的發展提供了廣闊的市場。并且，國內已經具備一定的5G半導體產業的發展基礎，包括西安電子科技大學、電子科技大學，以及中國科學院半導體研究所、中國科學院微電子研究所在內的中科院下屬研究所積累了大量的技術和人才。

基于此，中國企業應該抓住現今5G快速發展的機遇，充分發揮高校及科研院所的技術優勢，將高校及科研院所的研發成果進行轉化以盡快提升自身實力，縮小與美日歐等龍頭企業的差距。一方面，可以選擇利用外聘專家方式進行人才引進提升自身實力；另一方面，可以通過許可、轉讓等方式將高校或者科研院所的專利技術進行轉化。

參考文獻

[1] 李曉明.5G時代新技術需要關注氮化鎵[J].電信技術，2018（5）：5-9.

[2] 林佳，黃浩生.第三代半導體帶來的機遇與挑戰[J].集成電路應用，2017，34（12）：83-86.

[3] 江洪，劉義鶴，張曉丹.國外第3代半導體材料項目國家支持行動初探[J].新材料產業，2017（8）：11-14.

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