近年來(lái)，寬禁帶半導(dǎo)體材料中技術(shù)成熟度最高的碳化硅（SiC）在功率器件領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步十分引人注目。所謂新能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)（包括太陽(yáng)能、風(fēng)電、混合及純電動(dòng)動(dòng)力汽車(chē)等）的發(fā)展更加速了SiC功率器件的應(yīng)用發(fā)展。幾乎沒(méi)有人質(zhì)疑它將在高端應(yīng)用中大量取代目前硅功率市場(chǎng)份額的前景，但是到更具體的時(shí)間表和技術(shù)路線(xiàn)，還是有很多不同的預(yù)計(jì)。

我國(guó)這一領(lǐng)域在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)上與國(guó)際前沿尚有一定差距，但是正在盡力追趕。不論是政府戰(zhàn)略決策還是金融投資領(lǐng)域，對(duì)寬禁帶功率半導(dǎo)體都給與相當(dāng)高的關(guān)注和重視。但到目前為止，大部分的投入還是限于技術(shù)層面，在關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上追趕國(guó)際先進(jìn)水平，縮短差距。研究的焦點(diǎn)還是多為學(xué)術(shù)文章已有的結(jié)果，以及實(shí)際產(chǎn)品手冊(cè)的技術(shù)指標(biāo)（DATA SHEET）。實(shí)際上，公開(kāi)發(fā)表的學(xué)術(shù)文章一般屬于研究階段的結(jié)果。一個(gè)公司的主要實(shí)質(zhì)性開(kāi)發(fā)投入，主要價(jià)值體現(xiàn)在其知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2種形式——專(zhuān)利和技術(shù)的秘密（know-how）。一個(gè)公司的專(zhuān)利組合，不僅是研發(fā)活動(dòng)的結(jié)果，還反映了公司未來(lái)市場(chǎng)技術(shù)和產(chǎn)品的愿景和規(guī)劃。這些專(zhuān)利組合形成的技術(shù)壁壘，對(duì)未來(lái)市場(chǎng)的形態(tài)、劃分和利潤(rùn)都有決定性的影響。

在碳化硅功率器件相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，美國(guó)市場(chǎng)具有自己的特點(diǎn)，同時(shí)也有一定的典型性和代表性。一方面，它對(duì)于相對(duì)廉價(jià)的化石能源依賴(lài)性較大，政府對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略引導(dǎo)和支持力度遜色于歐盟和日本等經(jīng)濟(jì)體；在另一方面，在相關(guān)技術(shù)上它處于全球領(lǐng)先者之一，作為世界上最大的經(jīng)濟(jì)體和統(tǒng)一市場(chǎng)，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)水平特征，競(jìng)爭(zhēng)激烈、透明度高、市場(chǎng)體量大，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)相對(duì)規(guī)范。因此分析各個(gè)機(jī)構(gòu)在相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠度肭闆r，有較為重要的參考價(jià)值。

一、對(duì)專(zhuān)利的考察方法和結(jié)果

1.基本方法

本文主要考察近5年來(lái)（2010年1月1日-2015年10月底），美國(guó)碳化硅功率器件相關(guān)技術(shù)（含襯底晶體、外延、器件、模塊和系統(tǒng)等）的專(zhuān)利申請(qǐng)情況。筆者認(rèn)為，這期間碳化硅功率器件經(jīng)歷了較大的發(fā)展，從產(chǎn)業(yè)上呈現(xiàn)了與前期不同的面貌。反映在如下2個(gè)方面：

①二極管技術(shù)不斷趨于成熟，除了軍用之外，在一些典型領(lǐng)域（服務(wù)器和光伏微逆變器等）開(kāi)始了大規(guī)模應(yīng)用，三極管也開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，并且與一些重要的下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域（電動(dòng)汽車(chē)，軌道交通）結(jié)合，一定程度上確立了產(chǎn)業(yè)界的普遍認(rèn)同，一些公司有了自己具體的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和時(shí)間表。

②各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條環(huán)節(jié)都出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致質(zhì)量不斷提高，成本迅速持續(xù)下降，呈現(xiàn)典型的產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展特征。

本文選取專(zhuān)利申請(qǐng)的日期和內(nèi)容作為檢索條件，是為了強(qiáng)調(diào)反映研發(fā)活動(dòng)的時(shí)間信息。專(zhuān)利的授予有時(shí)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年之久，并且時(shí)間間隔不固定。同時(shí)從內(nèi)容上，專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)的版本能夠反映申請(qǐng)者初始的構(gòu)想和意圖。在授予審理的過(guò)程中，這些內(nèi)容經(jīng)常被顯著地改動(dòng)。

本身所謂的碳化硅功率器件技術(shù)相關(guān)申請(qǐng)，是指美國(guó)國(guó)家專(zhuān)利局（USPTO）數(shù)據(jù)庫(kù)中，在題目和摘要中包括“Silicon carbide”和“SiC”字眼，并且內(nèi)容經(jīng)確定為功率器件相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)。一般認(rèn)為，碳化硅功率器件主要是基于獨(dú)特的材料特性，其技術(shù)挑戰(zhàn)與傳統(tǒng)的硅器件有顯著的不同，甚至也明顯地不同于基于另一個(gè)重要寬禁帶半導(dǎo)體材料硅基氮化鎵功率器件技術(shù)，因此故意回避具體的“碳化硅”字眼以求得到更泛化的技術(shù)覆蓋范圍并無(wú)實(shí)質(zhì)意義。筆者認(rèn)為，在題目和摘要中檢索“Silicon Carbide”和“SiC”字眼，結(jié)果可以包括大部分相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)，對(duì)于除去應(yīng)用電路之外的環(huán)節(jié)具有較好的代表性。雖然如此，需要指出的是，尚有一些顯然只是適用于碳化硅功率器件技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)，在題目和摘要中回避具體的“Silicon Carbide”和“SiC”字眼，僅僅在“聲索”或描述部分一帶而過(guò)，有的甚至全篇中都未提到。這種情況主要出現(xiàn)在在電路應(yīng)用的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)中。本文的結(jié)果中也包含少量的這類(lèi)情況，但是并不全面完備。

2.專(zhuān)利申請(qǐng)案數(shù)的綜合發(fā)展趨勢(shì)

圖1是從2010年開(kāi)始的碳化硅功率器件技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)目。可以看到，專(zhuān)利申請(qǐng)案數(shù)在2013年前一直是穩(wěn)步上升的。2014年和2015年的下降原因并非實(shí)際申請(qǐng)數(shù)目下降，而是因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)只能檢索公布的專(zhuān)利申請(qǐng)。專(zhuān)利從申請(qǐng)到公布大約有從數(shù)月到2年多不等（平均16個(gè)月，多于2年的情況為數(shù)不多）的時(shí)間間隔。也就是說(shuō)，2014之后的專(zhuān)利申請(qǐng)情況并不能夠完整檢索到。

如果采用專(zhuān)利申請(qǐng)公布日期，同時(shí)假定專(zhuān)利從申請(qǐng)到公布的程序間隔大致保持不變，也可以大致反映2014年前專(zhuān)利的申請(qǐng)案數(shù)逐年變動(dòng)趨勢(shì)，如圖2所示。2010-2011年較低的申請(qǐng)公布數(shù)目代表2010年以前較低的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)目。2014年的專(zhuān)利申請(qǐng)公布數(shù)目稍低于之前的2013年，筆者認(rèn)為是申請(qǐng)公布前程序間隔的隨機(jī)漲落。但是2015年前10個(gè)月份的數(shù)目已經(jīng)超過(guò)2014年全年的數(shù)目，反映不斷增長(zhǎng)的專(zhuān)利申請(qǐng)案數(shù)。

3.申請(qǐng)者來(lái)源地

圖3顯示關(guān)于這一時(shí)期專(zhuān)利申請(qǐng)來(lái)源地的情況。來(lái)自日本的申請(qǐng)占據(jù)2/3以上。

申請(qǐng)案數(shù)前幾名的公司大多為日本公司，依次為住友電氣（Sumitomo）、東芝（Toshiba）、豐田（Toyota）、三菱（Mitsubishi）、電裝（Denso）、富士（Fuji）和羅姆（Rohm，不含合并前的Sicrystal）和松下（Panasonic），其專(zhuān)利組合大多涵蓋產(chǎn)業(yè)鏈條的各個(gè)環(huán)節(jié)（表1），其中住友電氣一家就占了全部申請(qǐng)的1/5強(qiáng)。一些活躍的重要的廠(chǎng)家因?yàn)閷?zhuān)注于有限的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，總的申請(qǐng)數(shù)目不多，未能進(jìn)入表1（主要是一些襯底/外延廠(chǎng)商）。美國(guó)的主要申請(qǐng)者為Cree和GE，其專(zhuān)利同樣全面覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈條的各個(gè)環(huán)節(jié)。韓國(guó)的申請(qǐng)者主要是現(xiàn)代（Hyundai）和LG。歐洲的申請(qǐng)者主要是英飛凌（Infineon）。

除了這些大公司之外，來(lái)自日本的申請(qǐng)還有其他眾多公司和研究機(jī)構(gòu)。大部分來(lái)自日本的專(zhuān)利申請(qǐng)都是日本本土專(zhuān)利的海外延伸，顯示日本業(yè)界對(duì)美國(guó)市場(chǎng)的重視。與此形成鮮明對(duì)照的是歐洲的一些從事碳化硅功率器件相關(guān)技術(shù)研發(fā)較有影響的研究機(jī)構(gòu)，對(duì)美國(guó)市場(chǎng)專(zhuān)利投入較少。以上數(shù)據(jù)顯示出日本對(duì)于碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)的重視，投入和蓄勢(shì)待發(fā)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先地位。對(duì)于作為一個(gè)嶄新的材料應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅功率器件的開(kāi)發(fā)需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的緊密配合。在這方面，日本從元器件到完整應(yīng)用系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)特征顯示出很大優(yōu)勢(shì)，而日本產(chǎn)、學(xué)、研緊密配合的意識(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)了這一優(yōu)勢(shì)：來(lái)自日本的專(zhuān)利申請(qǐng)的另一個(gè)鮮明特征是數(shù)目眾多聯(lián)合申請(qǐng)案，包括典型的電裝株式會(huì)社/豐田汽車(chē)公司，豐田汽車(chē)公司/日本制鐵株式會(huì)社以及羅姆半導(dǎo)體集團(tuán)/日產(chǎn)汽車(chē)公司。在這方面，我國(guó)與國(guó)外的的差距十分明顯。檢索到的來(lái)自中國(guó)的申請(qǐng)只有北京和上海研究機(jī)構(gòu)的3例，被歸于“其他”類(lèi)。由于功率器件市場(chǎng)顯著的全球性特征，這一結(jié)果顯示我國(guó)廠(chǎng)家今后在進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)時(shí)將面臨較高的專(zhuān)利壁壘，處于非常不利的地位。

4.技術(shù)環(huán)節(jié)和領(lǐng)域

對(duì)于碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)，考察其在不同的技術(shù)環(huán)節(jié)/領(lǐng)域的分布和布局具有十分重要的意義。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)活動(dòng)和專(zhuān)利申請(qǐng)往往集中在：產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)/成本瓶頸限制了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)又有潛在的較高利潤(rùn)空間；活躍的、迅速擴(kuò)展的領(lǐng)域。

作為一種全新材料，碳化硅功率器件存在顯著的技術(shù)技術(shù)/成本瓶頸。同時(shí)，在其產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和公認(rèn)的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)。到底資源應(yīng)該投入在哪里、什么方向，不但和企業(yè)自身的實(shí)力資源以及愿景相關(guān)，也和整個(gè)行業(yè)的資源配置、上下游業(yè)者之間的互動(dòng)有密切關(guān)系。舉例來(lái)說(shuō)，碳化硅功率器件不但和與之有一定潛在重疊應(yīng)用領(lǐng)域的氮化鎵功率器件之間存在競(jìng)爭(zhēng)，其自身內(nèi)部也有不同的產(chǎn)品/技術(shù)路線(xiàn)之爭(zhēng)。雙極結(jié)型晶體管（BJT）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）和金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）/金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MISFET）器件的指標(biāo)特點(diǎn)，對(duì)材料和工藝的要求、驅(qū)動(dòng)、可靠性都不相同，誰(shuí)能最后脫穎而出，占據(jù)主流地位，對(duì)業(yè)者的生存發(fā)展是非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。

在專(zhuān)利分類(lèi)中，清晰界定這些不同領(lǐng)域的技術(shù)專(zhuān)利并非易事。專(zhuān)利的書(shū)寫(xiě)往往試圖在模糊技術(shù)細(xì)節(jié)的同時(shí)，泛化覆蓋的領(lǐng)域；同時(shí)一個(gè)特定的內(nèi)容本身可以屬于不同的方面，比如某個(gè)外延技術(shù)可能主要目的是改進(jìn)某種器件的性能，因此同時(shí)屬于外延技術(shù)和這個(gè)特定類(lèi)型器件的專(zhuān)利；但是可能又對(duì)其他器件類(lèi)型有影響。如前所述，本文主要關(guān)心的內(nèi)容之一是產(chǎn)業(yè)技術(shù)方向，因此采用的分類(lèi)不是基于技術(shù)細(xì)節(jié)的分類(lèi)，而是從器件本身的技術(shù)環(huán)節(jié)和類(lèi)型出發(fā)，比如襯底一類(lèi)包含了相關(guān)的工藝、設(shè)備、原料等不同方面。同時(shí)MOSFET、MISFET和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用上類(lèi)似，而與BJT和JFET有明顯的不同和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因而合為一類(lèi)；而且這一類(lèi)中也包括了相關(guān)的電路和模塊。圖4中的“綜合電路和模塊”是沒(méi)有明確適用器件類(lèi)型的“剩余類(lèi)”，如前所述，這一類(lèi)的專(zhuān)利的檢索和界定有一定技術(shù)困難，數(shù)據(jù)缺乏代表性。

對(duì)于圖4中包含的相關(guān)專(zhuān)利內(nèi)容的考察，得出的結(jié)果是：

①作為碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和成本瓶頸，襯底相關(guān)技術(shù)仍是產(chǎn)業(yè)研發(fā)活動(dòng)的中心；尤其是很多公司以6英寸碳化硅襯底的成熟為某些重要領(lǐng)域（比如電動(dòng)汽車(chē)）大規(guī)模應(yīng)用的必要條件和起點(diǎn)；②MOSFET/ MISFET由于驅(qū)動(dòng)類(lèi)似現(xiàn)有的硅IGBT元件，是碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)的主流，吸引了最多的研發(fā)資源，相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量也最多；③外延相關(guān)技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是雙極器件的可靠性，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)目保持穩(wěn)定；④作為2010年前就已率先進(jìn)入市場(chǎng)，成熟度最高的肖特基二極管，仍有穩(wěn)定持續(xù)的研發(fā)投入，其目標(biāo)主要是不斷提高其性能和可靠性，以期在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)；⑤JFET和BJT盡管不太可能成為替代目前硅IGBT的主流器件類(lèi)型，但是到2013年止，仍持續(xù)有專(zhuān)利申請(qǐng)。

三、結(jié)語(yǔ)

筆者從市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)的觀點(diǎn)，對(duì)美國(guó)市場(chǎng)碳化硅功率器件相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)做了一些初步的研究和分析。正像前面提到的，2010年后，這一領(lǐng)域的技術(shù)和市場(chǎng)的加速發(fā)展在專(zhuān)利申請(qǐng)中得到體現(xiàn)。而這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)必將影響今后進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在這一具有戰(zhàn)略意義的新材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中，我國(guó)有明顯的差距。到目前為止，我國(guó)對(duì)于碳化硅的跟蹤和追趕還限于純技術(shù)指標(biāo)，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球布局中基本還是空白，如果這一狀況沒(méi)有改觀，那我國(guó)可能將要為此付出巨大代價(jià)。

期望業(yè)界能夠更多地從市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)觀點(diǎn)考察相關(guān)技術(shù)，對(duì)這一領(lǐng)域的發(fā)展做進(jìn)一步的研究，能夠覆蓋新材料領(lǐng)域的另外2個(gè)重要市場(chǎng)日本和歐盟。另外，作為世界第一能源消耗大國(guó)和制造業(yè)中心，我國(guó)也是碳化硅功率器件極其重要的市場(chǎng)。對(duì)于海外廠(chǎng)商在我國(guó)市場(chǎng)的專(zhuān)利布局，以及國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家自己的專(zhuān)利組合，也是值得深入研究的課題。