國內氮化鎵半導體材料及應用專利布局現狀

王晶 王科

氮化鎵（GaN）半導體材料作為第3代半導體的核心材料，自20世紀90年代開始用于LED顯示領域，目前已廣泛應用于普通照明及顯示領域。而從2010年第1個GaN功率器件投入市場后，GaN功率器件又逐漸成為半導體功率器件主流。

2021年隨著各國5G通訊、消費性電子、工業能源轉換及新能源車等需求拉升，使得第3代半導體GaN及碳化硅（SiC）元件及模組需求強勁。其中，以GaN功率元件成長幅度最高[1]。市場需求量的持續增長將不斷推動GaN半導體材料及應用領域的技術改進。

本文以GaN半導體材料及應用的中國專利文獻為研究樣本，通過了解國內GaN半導體材料及應用領域在中國的專利申請趨勢、技術來源情況，從專利角度對國內GaN半導體材料及應用領域的技術研發實力進行定位。

1 專利申請概況

截至2021年8月，已公開的中國 GaN半導體材料及應用領域的專利申請量超過4萬件，專利申請以發明專利申請為主。

從專利申請量增長情況看（見圖1），1986—2000年之間，中國GaN半導體材料及應用領域的專利申請量較低，該階段專利申請量僅占中國GaN領域專利申請量的0.6%。且從公開的專利文獻中可以看出，雖然早在1986年就有專利公開了將GaN材料用于半導體芯片襯底的技術方案，但多將GaN材料視為襯底材料的可選材料之一，未進行針對性的技術保護。

從2000—2021年期間中國GaN半導體材料及應用領域的專利申請量逐年增長，且呈現持續快速增長的態勢，特別是近10年（2011—2021年）的專利申請量占比達到了82.0%。

2 專利來源情況

針對中國GaN領域專利來源情況進行分析（見圖2），整體上中國GaN領域的專利申請來源以中國本土的創新主體為主。

進一步對中國GaN領域各時間段的專利申請來源情況進行分析，2010年前國外來華的專利申請量相較中國本土的專利申請量具有一定的優勢，以住友電氣工業株式會社、松下電氣產業株式會社、科銳（CREE）公司為代表的跨國企業在中國布局了大量GaN領域的專利。

2011年后，雖然中國本土申請人的專利申請量大幅度增長，但該階段國外企業仍不斷在中國進行專利布局，表明跨國企業非常重視中國市場。但因跨國企業在中國市場的專利布局時間早于中國本土申請人，其在中國所布局的有效期內的專利將對中國本土企業形成較大的威脅。

3 技術構成情況

結合前述可知，包括LED顯示、照明等在內的光電顯示及照明領域是GaN材料的一個主要應用領域，而應用GaN材料制備的功率器件則廣泛的應用與5G設備中，這2個應用領域是目前GaN半導體材料的主要應用領域。

通過分析可以看出（見圖3），中國GaN領域仍主要側重于光電顯示及照明領域的技術研發。但從專利申請量增長情況看，2001—2010年期間，功率器件領域的專利申請量僅為光電顯示及照明領域專利申請量的1/4，近10年（2011—2021年）功率器件領域的專利申請量超過光電顯示及照明領域專利申請量的50%，功率器件領域的專利申請量增速明顯高于光電顯示及照明領域，且伴隨5G產業商用化進程的快速推進，功率器件領域的專利申請量將持續大幅度增長。

而從上述主要應用領域的專利來源情況來看（見表1），無論是光電顯示及照明領域還是功率器件領域，國外申請人的專利布局時間均早于中國本土申請人，進一步反映出國外申請人對中國本土企業威脅性較大。

4 創新主體構成情況

從中國GaN領域創新主體構成情況來看（見圖4），企業為國外來華專利申請的主要力量，專利申請量遠高于大專院校、科研院所的專利申請量；中國本土的專利申請也主要來源于企業，但大專院校、科研院所的專利申請量與企業的差距低于國外來華。

結合TOP5申請人情況可以看出（見表2），排名前5的中國本土申請人專利申請量差距較小，占中國本土專利申請量比例較低，技術較為分散，且3家企業中2家為中國臺灣半導體企業。相比較而言，國外來華專利申請量排名前5的申請人中有4位為全球知名芯片生產企業，占國外來華專利申請量比例高于中國本土企業，技術集中度優于中國本土，且除松下電器產業株式會社外，均側重于功率器件領域的專利布局。

進一步針對中國本土申請人構成情況進行分析（見表3），排名前5的企業中，晶元光電股份有限公司、臺灣積體電路制造股份有限公司為中國臺灣半導體企業。排名前5的中國本土企業專利申請量差距也較小，且有3家為光電顯示及照明領域企業，從一定反映出國內半導體產業龍頭企業的技術優勢不明顯，功率器件設計及制造相關企業的技術活躍度有待提升。

高校是科技成果轉化和科技研發的第一陣地，對于我國科技發展起到了至關重要的推動作用[2]。且根據表3分析可知，大專院校在功率器件領域的專利申請量優于企業，具有一定的技術優勢。特別是西安電子科技大學在郝躍教授的帶領下，攻克了功率器件領域的多項技術難關，為我國氮化物第3代半導體電子器件步入國際領先行列作出了重要貢獻。

科研機構也是科技研發的重要力量，中國科學院下屬的中國科學院半導體研究所、中國科學院微電子研究所、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所、中國科學院上海微系統與信息技術研究所，在功率器件領域表現突出。

綜合創新主體構成及申請人排名情況來看，中國本土企業在GaN領域的雖然在2011年后在GaN領域積極進行專利布局，但整體實力仍與國外知名芯片制造企業具有一定差距，特別是在功率器件領域，中國本土企業還未具備顯著優勢。

5 結語

從前面分析可以看出，美國、日本等國家的知名半導體芯片企業在中國市場已布局有大量的專利，且布局時間早于中國本土企業，對中國企業的發展具有較大威脅。而我國本土企業在GaN領域的技術研發仍側重于光電顯示及照明領域，在功率器件領域還未形成技術優勢，在GaN領域的技術研發投入仍需加強。

與此同時，從國際形勢來看，近兩三年中美科技競爭加劇，美國政府不斷對我國高新技術企業實施制裁，對我國半導體產業整體發展影響較大，但也加強了中國提升半導體自主創新能力的緊迫感。

中國本土企業應抓緊當前產業調整的機遇，通過技術引進、吸納高端人才、與大專院校合作等多種方式結合積極提升自主創新能力，加速芯片國產化進程，盡早打破國外壟斷。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.005

參考文獻

[1] 福布斯中國.預估今年GaN功率元件年增率高達73%，芯片股順勢大漲[EB/OL].https：//www.sohu.com/ a/488026296_100246910.

[2] 肖嫣然.自主創新戰略下高校科技成果轉化的主要模式及保障策略研究[J].科技經濟導刊，2020，28（27）：210—213.