王晶 王科

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

2021年隨著各國(guó)5G通訊、消費(fèi)性電子、工業(yè)能源轉(zhuǎn)換及新能源車(chē)等需求拉升，使得第3代半導(dǎo)體GaN及碳化硅（SiC）元件及模組需求強(qiáng)勁。其中，以GaN功率元件成長(zhǎng)幅度最高[1]。市場(chǎng)需求量的持續(xù)增長(zhǎng)將不斷推動(dòng)GaN半導(dǎo)體材料及應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)改進(jìn)。

本文以GaN半導(dǎo)體材料及應(yīng)用的中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)為研究樣本，通過(guò)了解國(guó)內(nèi)GaN半導(dǎo)體材料及應(yīng)用領(lǐng)域在中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)、技術(shù)來(lái)源情況，從專(zhuān)利角度對(duì)國(guó)內(nèi)GaN半導(dǎo)體材料及應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)實(shí)力進(jìn)行定位。

1 專(zhuān)利申請(qǐng)概況

截至2021年8月，已公開(kāi)的中國(guó) GaN半導(dǎo)體材料及應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量超過(guò)4萬(wàn)件，專(zhuān)利申請(qǐng)以發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)為主。

從專(zhuān)利申請(qǐng)量增長(zhǎng)情況看（見(jiàn)圖1），1986—2000年之間，中國(guó)GaN半導(dǎo)體材料及應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量較低，該階段專(zhuān)利申請(qǐng)量?jī)H占中國(guó)GaN領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量的0.6%。且從公開(kāi)的專(zhuān)利文獻(xiàn)中可以看出，雖然早在1986年就有專(zhuān)利公開(kāi)了將GaN材料用于半導(dǎo)體芯片襯底的技術(shù)方案，但多將GaN材料視為襯底材料的可選材料之一，未進(jìn)行針對(duì)性的技術(shù)保護(hù)。

從2000—2021年期間中國(guó)GaN半導(dǎo)體材料及應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量逐年增長(zhǎng)，且呈現(xiàn)持續(xù)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，特別是近10年（2011—2021年）的專(zhuān)利申請(qǐng)量占比達(dá)到了82.0%。

2 專(zhuān)利來(lái)源情況

針對(duì)中國(guó)GaN領(lǐng)域?qū)＠麃?lái)源情況進(jìn)行分析（見(jiàn)圖2），整體上中國(guó)GaN領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)來(lái)源以中國(guó)本土的創(chuàng)新主體為主。

進(jìn)一步對(duì)中國(guó)GaN領(lǐng)域各時(shí)間段的專(zhuān)利申請(qǐng)來(lái)源情況進(jìn)行分析，2010年前國(guó)外來(lái)華的專(zhuān)利申請(qǐng)量相較中國(guó)本土的專(zhuān)利申請(qǐng)量具有一定的優(yōu)勢(shì)，以住友電氣工業(yè)株式會(huì)社、松下電氣產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社、科銳（CREE）公司為代表的跨國(guó)企業(yè)在中國(guó)布局了大量GaN領(lǐng)域的專(zhuān)利。

2011年后，雖然中國(guó)本土申請(qǐng)人的專(zhuān)利申請(qǐng)量大幅度增長(zhǎng)，但該階段國(guó)外企業(yè)仍不斷在中國(guó)進(jìn)行專(zhuān)利布局，表明跨國(guó)企業(yè)非常重視中國(guó)市場(chǎng)。但因跨國(guó)企業(yè)在中國(guó)市場(chǎng)的專(zhuān)利布局時(shí)間早于中國(guó)本土申請(qǐng)人，其在中國(guó)所布局的有效期內(nèi)的專(zhuān)利將對(duì)中國(guó)本土企業(yè)形成較大的威脅。

3 技術(shù)構(gòu)成情況

結(jié)合前述可知，包括LED顯示、照明等在內(nèi)的光電顯示及照明領(lǐng)域是GaN材料的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域，而應(yīng)用GaN材料制備的功率器件則廣泛的應(yīng)用與5G設(shè)備中，這2個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是目前GaN半導(dǎo)體材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

通過(guò)分析可以看出（見(jiàn)圖3），中國(guó)GaN領(lǐng)域仍主要側(cè)重于光電顯示及照明領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)。但從專(zhuān)利申請(qǐng)量增長(zhǎng)情況看，2001—2010年期間，功率器件領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量?jī)H為光電顯示及照明領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量的1/4，近10年（2011—2021年）功率器件領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量超過(guò)光電顯示及照明領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量的50%，功率器件領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量增速明顯高于光電顯示及照明領(lǐng)域，且伴隨5G產(chǎn)業(yè)商用化進(jìn)程的快速推進(jìn)，功率器件領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量將持續(xù)大幅度增長(zhǎng)。

而從上述主要應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)利來(lái)源情況來(lái)看（見(jiàn)表1），無(wú)論是光電顯示及照明領(lǐng)域還是功率器件領(lǐng)域，國(guó)外申請(qǐng)人的專(zhuān)利布局時(shí)間均早于中國(guó)本土申請(qǐng)人，進(jìn)一步反映出國(guó)外申請(qǐng)人對(duì)中國(guó)本土企業(yè)威脅性較大。

4 創(chuàng)新主體構(gòu)成情況

從中國(guó)GaN領(lǐng)域創(chuàng)新主體構(gòu)成情況來(lái)看（見(jiàn)圖4），企業(yè)為國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利申請(qǐng)的主要力量，專(zhuān)利申請(qǐng)量遠(yuǎn)高于大專(zhuān)院校、科研院所的專(zhuān)利申請(qǐng)量；中國(guó)本土的專(zhuān)利申請(qǐng)也主要來(lái)源于企業(yè)，但大專(zhuān)院校、科研院所的專(zhuān)利申請(qǐng)量與企業(yè)的差距低于國(guó)外來(lái)華。

結(jié)合TOP5申請(qǐng)人情況可以看出（見(jiàn)表2），排名前5的中國(guó)本土申請(qǐng)人專(zhuān)利申請(qǐng)量差距較小，占中國(guó)本土專(zhuān)利申請(qǐng)量比例較低，技術(shù)較為分散，且3家企業(yè)中2家為中國(guó)臺(tái)灣半導(dǎo)體企業(yè)。相比較而言，國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前5的申請(qǐng)人中有4位為全球知名芯片生產(chǎn)企業(yè)，占國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利申請(qǐng)量比例高于中國(guó)本土企業(yè)，技術(shù)集中度優(yōu)于中國(guó)本土，且除松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社外，均側(cè)重于功率器件領(lǐng)域的專(zhuān)利布局。

進(jìn)一步針對(duì)中國(guó)本土申請(qǐng)人構(gòu)成情況進(jìn)行分析（見(jiàn)表3），排名前5的企業(yè)中，晶元光電股份有限公司、臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司為中國(guó)臺(tái)灣半導(dǎo)體企業(yè)。排名前5的中國(guó)本土企業(yè)專(zhuān)利申請(qǐng)量差距也較小，且有3家為光電顯示及照明領(lǐng)域企業(yè)，從一定反映出國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)不明顯，功率器件設(shè)計(jì)及制造相關(guān)企業(yè)的技術(shù)活躍度有待提升。

高校是科技成果轉(zhuǎn)化和科技研發(fā)的第一陣地，對(duì)于我國(guó)科技發(fā)展起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用[2]。且根據(jù)表3分析可知，大專(zhuān)院校在功率器件領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量?jī)?yōu)于企業(yè)，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。特別是西安電子科技大學(xué)在郝躍教授的帶領(lǐng)下，攻克了功率器件領(lǐng)域的多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)，為我國(guó)氮化物第3代半導(dǎo)體電子器件步入國(guó)際領(lǐng)先行列作出了重要貢獻(xiàn)。

科研機(jī)構(gòu)也是科技研發(fā)的重要力量，中國(guó)科學(xué)院下屬的中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所、中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，在功率器件領(lǐng)域表現(xiàn)突出。

綜合創(chuàng)新主體構(gòu)成及申請(qǐng)人排名情況來(lái)看，中國(guó)本土企業(yè)在GaN領(lǐng)域的雖然在2011年后在GaN領(lǐng)域積極進(jìn)行專(zhuān)利布局，但整體實(shí)力仍與國(guó)外知名芯片制造企業(yè)具有一定差距，特別是在功率器件領(lǐng)域，中國(guó)本土企業(yè)還未具備顯著優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

從前面分析可以看出，美國(guó)、日本等國(guó)家的知名半導(dǎo)體芯片企業(yè)在中國(guó)市場(chǎng)已布局有大量的專(zhuān)利，且布局時(shí)間早于中國(guó)本土企業(yè)，對(duì)中國(guó)企業(yè)的發(fā)展具有較大威脅。而我國(guó)本土企業(yè)在GaN領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)仍側(cè)重于光電顯示及照明領(lǐng)域，在功率器件領(lǐng)域還未形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在GaN領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)投入仍需加強(qiáng)。

與此同時(shí)，從國(guó)際形勢(shì)來(lái)看，近兩三年中美科技競(jìng)爭(zhēng)加劇，美國(guó)政府不斷對(duì)我國(guó)高新技術(shù)企業(yè)實(shí)施制裁，對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展影響較大，但也加強(qiáng)了中國(guó)提升半導(dǎo)體自主創(chuàng)新能力的緊迫感。

中國(guó)本土企業(yè)應(yīng)抓緊當(dāng)前產(chǎn)業(yè)調(diào)整的機(jī)遇，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、吸納高端人才、與大專(zhuān)院校合作等多種方式結(jié)合積極提升自主創(chuàng)新能力，加速芯片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，盡早打破國(guó)外壟斷。

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

參考文獻(xiàn)

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

[2] 肖嫣然.自主創(chuàng)新戰(zhàn)略下高?？萍汲晒D(zhuǎn)化的主要模式及保障策略研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2020，28（27）：210—213.