半導體紫外器件及應用技術全球專利檢索與信息分析

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.中國電子技術標準化研究院，北京 100007）

半導體紫外發射二極管（Semiconductor ultraviolet-emitting diodes，英文縮寫UV LED），又稱半導體紫外光源、固態紫外光源。是基于第三代半導體技術的固態紫外光源，與新型LED照明、大功率電力電子器件并列為第三代半導體技術3大方向。與傳統紫外光源相比具有很多顯著優勢，如：節能、環保、壽命長、體積輕小、啟動快、易調制和易與數字電路兼容等。紫外發射二極管是目前氮化物技術發展和第三代半導體材料技術發展的主要趨勢，擁有廣闊的應用前景。將在包括殺菌消毒、醫療、化工、環境凈化、環境監測、工業制造、無創光療、非視距保密通信在內的眾多領域獲得廣泛應用[1]。當前，致死率極高的新型冠狀病毒（COVID-19）還在全球大流行，為抑制和減輕導致該疾病的冠狀病毒2型（SARS-CoV-2）的傳播，人們加速了對環境控制的探索，這進一步刺激了紫外行業在殺菌、空氣凈化與水處理領域的推廣，半導體紫外光源上下游的技術發展和產業化步伐正在加快。

根據WIPO的統計，全世界每年發明創造成果的90%～95%體現在專利文獻中，其他的技術文獻和雜志中能零星地看到5%～10%[2]。專利數量與專利質量是技術實力的重要表現形式，專利全球布局和時間曲線反映了產業態勢和技術演化軌跡，且記載了各專業技術領域的最新科技成果，充分利用專利信息是增強創新能力，實現創新引領發展的有效途徑。目前，針對半導體紫外光源行業的專利信息分析研究十分稀缺。本研究以PatSnap智慧芽全球專利數據庫和專利檢索平臺為基礎，結合行業特點進行專利信息檢索和技術分析（圖1）。

圖1 半導體紫外器件（上）及應用設備（下）

1 項目背景

目前，該領域技術和市場都還處于萌芽期，核心技術主要集中在美、日、韓及歐洲的少數企業和研究機構手中，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，憑借其在半導體材料領域的雄厚基礎，不斷取得創新性突破。相比之下，國內技術水平明顯落后，尤其在深紫外領域，差距更大。在AlGaN核心材料開發與產業化方面更是基礎薄弱。

LEDinside《2018紫外線LED應用市場報告-固化、醫療、殺菌》預估2022年UV LED市場產值將超過12億美元。研究機構Yole分析師預測，受UVC應用推動，UV LED市場將在2023年達到10億美元[3]。由于受到產業端和需求端多方的關注和大力投入，半導體紫外技術迅速發展，雖然目前主要以固化和印刷應用為主，但隨著深紫外技術的成熟和上下游產業鏈的完善，預計未來3-5年內深紫外產業將成半導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，國外學者K.Brockhoff認為由于專利含有技術創新的信息，通過對專利信息進行科學分析，掌握技術的發展程度，及技術與技術之間的關聯，從而反映行業發展趨勢。美國的Richard S.Camphell認為專利信息是技術創新預測的科學依據，專利信息分析可以對現有技術成熟程度的評價和技術發展方向的預測。本項目經收集整理、深度挖掘、整合轉化之后獲取的信息，具有反映深層次規律的功能，主要用于對未來技術發展方向和研發方向的預測與決策，同時對于分析大的競爭環境具有重要作用[4]。

2 專利檢索

2.1 檢索條件

定義：半導體紫外發射二極管，英文縮寫UV LED，Semiconductor ultraviolet-emitting diodes，又稱半導體紫外光源、固態紫外光源。

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）。按產業鏈分為芯片、器件和應用。按應用領域分為印刷、固化、殺菌、醫療、化工、分析和信號等。

檢索目標區域：全球檢索。

檢索語言：中英文混合檢索。

檢索工具：PatSnap智慧芽全球專利數據庫（https：//analytics.zhihuiya.com/）。

2.2 總體檢索策略

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

2.3 檢索過程總結

在PatSnap智慧芽全球專利數據庫環境下，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（P）→結束。

檢索結果：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

根據專利檢索數據，對現狀和趨勢進行分析，內容包括全球專利分布現狀（技術來源、目標市場等）、申請趨勢、技術生命周期、技術構成、主要申請人、重點專利、訴訟情況等。

3.1 全球專利分布現狀

截止2020年3月26日本檢索完成時，通過對半導體紫外器件及應用技術全球專利檢索，共獲得68 248組簡單同族專利，相關專利來自于116個國家或地區。

其中，相關專利技術來源國/地區來源地排名前10的包括日本、美國、中國、韓國、德國、歐洲、英國、中國臺灣、法國、世界知識產權組織。幫助了解該國家/地區的技術創新能力和活躍程度。也可以側面反映出持有該技術的主要公司分布，如圖2（a）所示。相關專利技術目標市場國/地區排名前10的包括：日本、美國、中國、世界知識產權組織、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，分析技術主要布局在哪些國家/地區，專利申請量的多少在一定程度上反映了該目標市場的受關注程度。這可以幫助企業在做技術戰略布局時，評估哪些是需要主要關注的國家/地區，以及哪些國家/地區均未被布局，是否可能成為潛在的機會點。

圖2 技術來源地與目標市場地分布圖

圖3 重要技術分支地域分布

3.2 申請趨勢

專利申請趨勢圖展示的是專利申請量的發展趨勢。通過申請趨勢可以從宏觀了解該技術領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量的分析，判斷產品技術所處的發展階段，為企業確定發展方向提供指導。

半導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領域近20年專利申請數據。根據專利申請量變化趨勢，該技術起步較早，近20年一直在穩步增長且目前正處于快速發展階段。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2019年和2020年申請數據。

圖4 申請趨勢

實際上，國外相關技術的基礎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UVC半導體器件氮化鋁（AlN）襯底技術的公司。日本NITRIDE半導體公司也是于1997年就開始研究UV-A、UV-B、UV-C全波段紫外LED的圓片、芯片、器件和應用技術了。

3.3 技術生命周期

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

生命周期（Life Cycle，LC）的概念來自自然生態系統，一般人們將其引用于社會經濟系統的研究領域，用以描述社會經濟現象的某些類似于自然生態系統的生命特征[6]。1966年哈佛大學教授Raymond Vernon在《International Investment and International Trade in the Product Cycle》中首次提出了產品生命周期理論[7]，與產品生命周期類似，技術的發展會經過技術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戰略選擇與調整、產業結構升級。泰瑟思認為技術生命周期可以分為4個階段：一般研究發展階段、應用研發階段、大量制造生產階段及市場擴張階段[8]。哈利勒在敘述技術生命周期不同階段與市場成長率時，把技術分為6個周期：技術開發期、開始應用期、應用成長期、技術成熟期、替代技術期、技術衰退期。

目前，半導體紫外器件及應用技術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 技術生命周期

3.4 技術構成分析

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

如圖6所示，半導體紫外器件及應用技術涉及的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射的半導體器件；專門適用于制造或處理這些半導體器件或其部件的方法或設備；這些半導體器件的零部件（H01L51/00優先；由在1個公共襯底中或其上形成有多個半導體組件并包括具有至少1個電位躍變勢壘或表面勢壘，專門適用于光發射的器件入H01L27/15；半導體激光器入H01S5/00）。

圖6 技術構成分析

3.5 申請人排名分析

該技術領域內哪些公司擁有的專利總量最多，幫助了解該技術領域內的主要公司和競爭威脅。

如圖7所示，半導體紫外器件及應用技術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用并且有很多人借鑒這些技術，這些專利更具影響力并代表著該技術領域的核心創新技術。

圖8 被引用最多的專利

3.6.2 規模最大的專利家族

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

圖9 規模最大的專利家族

當分析偏好選擇為[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成最高訴訟威脅，這代表了值得注意的研發雷區。

圖10 訴訟數量

通過專利訴訟獲得市場競爭優勢是國際企業慣用手段[9]，紫外LED行業也是如此。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易壁壘的手段，最為人熟知的即美國的337調查。三代半導體技術的另一分支——新型LED照明產業的整個發展過程都深受337調查的困擾。慶幸的是中國企業在LED照明相關的專利技術、市場份額、產業配套等各個方面，都已掌握了主動權，并且相關爭端解決機制也慢慢成熟，這從近2年的LED產業337調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，一是可著眼于相關專利更快更好地實現產業化，促使其所儲備的專利能夠更加精準、高效地轉化為產業技術競爭的核心優勢；二是可著眼于維護市場運營安全，一方面及時發現和規避專利風險，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略威懾，確保企業市場行動自由和研發行動自由；三是可著眼于市場收益的取得，依托具有市場化潛質的專利來直接進行運營運用，以建立企業新的利潤增長點。在以新技術突破為基礎的產業變革和市場競爭中，上述一系列作用更加突出。就此而言，專利堪稱創新主體有效參與市場競爭的“戰斗員”[12]。

4 結束語

本文研究了半導體紫外器件及應用技術，通過PatSnap智慧芽全球專利數據庫環境下高級檢索形式，采用總-分-總方式，對相關技術領域專利進行了全球檢索。分別查UV技術分支和LED技術分支的全部專利，查得UV和LED 2個獨立的技術專利集，將2個專利集合相與，再對結果進行去噪、查全、補全、查準等操作，共獲得符合條件的專利數據樣本6.82萬個。并對獲得的樣本進行技術分析，得出全球專利分布現狀、申請趨勢、技術生命周期、技術構成、申請人、重要專利及專利訴訟情況等重要信息，為本行業技術研發戰略的制定、專利布局及專利策略的制定等提供可靠技術依據。