氮化镓材料专利计量分析及启示

2015-04-23陈欣董璐陈枢舒郑菲

新材料产业 2015年10期

陈欣董璐陈枢舒郑菲

氮化镓（Gallium Nitride， GaN）基半导体材料是继硅和砷化镓基材料后的新一代半导体材料，被称为第3代半导体材料。氮化镓材料由于具有禁带宽度大、击穿电场高、介电常数小、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等独特的特性，在光电子器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景[1.2]。

氮化镓材料的应用首先是在发光器件领域取得重大突破的。1991年，日本日亚公司（Nichia）首先研制成功以蓝宝石为衬底的GaN蓝光发光二极管（LED），之后实现GaN基蓝、绿光LED的商品化。GaN基LED的成功引发了光电行业中的革命，发出蓝光和紫外线的氮化镓激光器也被用于高密度的DVD内，大大促进了音乐、图片和电影存储技术的发展。利用GaN材料，还可以制备紫外光探测器，它在火焰传感、臭氧检测、激光探测器等方面具有广泛应用。

在电子器件方面，利用GaN材料可制备高频、大功率电子器件，有望在航空航天、高温辐射环境、雷达与通信等方面发挥重要作用。例如在航空航天领域，高性能的军事飞行装备需要能够在高温下工作的传感器、电子控制系统以及功率电子器件等，以提高飞行的可靠性，GaN基电子器件将起着重要作用，此外由于它在高温工作时无需制冷器而大大简化电子系统，减轻飞行质量。

本文拟从专利计量分析的角度，揭示GaN领域的专利活动现状和区域布局情况，并对氮化镓材料所涉及的技术领域、核心技术进行初探，对国内外重点研发机构进行分析比较，为科技决策和课题研究提供参考。专利数据来源于美国汤森路透科技公司（Thomson Reuters Scientific）的DII（Derwent Innovation Index）数据库，检索日期为2015年6月30日。

一、氮化镓专利时间及区域分布

GaN专利申请已有50多年历史，最早是1963年由美国柯达公司申请的。遗憾的是，由于受到没有合适的单晶衬底材料、位错密度较大、n型本底浓度太高和无法实现p型掺杂等问题的困扰，氮化镓曾被认为是一种没有希望的材料，因而发展十分缓慢。

直到1989年，松下电器公司东京研究所的赤崎勇和弟子天野浩在全球首次实现了蓝光LED；1993年，在日本日亚化学工业公司（Nichia）当技术员的中村修二用4年时间克服了2个重大材料制备工艺难题：高质量GaN薄膜的生长和GaN空穴导电的调控，独立研发出了大量生产GaN晶体的技术，并成功制成了高亮度蓝色LED。因此，20世纪90年代后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善，GaN基器件的发展十分迅速，专利数量快速增长，进入发展的黄金时期，GaN成为宽带隙半导体材料中一颗十分耀眼的新星。

2006-2009年，氮化镓专利数量的增长较为缓慢，甚至出现专利量减少的情况（2009年），但2010年之后，专利数量又急剧增加，这种变化可能显示在该时间曾经出现了一个技术上的突破或者关键进展（详见图1所示）。由此来看，GaN专利在未来几年内可能还会保持快速增长的趋势。

全球有40多个国家/地区在GaN领域有专利申请，但大部分专利掌握在4个国家手中，其专利数量占据了全球专利总量的90%之多，分别是日本（38%）、美国（21%）、中国（16%）、韩国（15%），其中美国和日本对GaN的研究起步较早。20世纪90年代左右，日本率先克服了GaN材料制备工艺中的难题，掌握了生产高质量GaN薄膜的技术，随后引发了GaN领域的研究热潮，专利数量急剧增加；美国则比日本晚了5年左右，但随着技术的不断创新，美国与日本的差距逐渐减小，2010年美国的专利数量赶超了日本，之后的年度专利发表数量均超过日本。中国和韩国在20世纪90年代以后才有专利申请，由于此时技术上已经突破了瓶颈，因此专利数量增长较快，逐渐在国际上占据了一席之地。

对专利家族的分析表明，4大主要专利来源国在国际市场均有不同程度的专利布局，日本在美国的专利申请比例高达34.5%，美国在WO和日本的专利申请比例分别达到37.4%和 24.9%，韩国在美国的专利申请比例高达48.1%。中国在国际市场虽然也有一定的专利布局，但比例与其他3个国家相差较远，在美国的专利申请比例仅有9%。

二、氮化镓专利技术布局

基于德温特手工代码（Derwent Manual Code，MC）的清洗和统计，主要从器件类型和加工工艺2个方面，对氮化镓专利涉及的主要技术领域进行分析。

1.器件类型

氮化镓专利涉及到的器件类型主要有发光二极管（LED）、场效应晶体管（FET）、激光二极管（LD）、二极管（Diodes）、太阳能电池（Solar cells）等。氮化镓是一种理想的短波长发光器件材料，能与氮化铟（InN）和氮化铝（AlN）形成三元或四元化合物，通过改变III族元素的比例，可使发光波长覆盖红色到紫外的光谱范围，另外将发蓝光的氮化镓基发光二极管掺杂可激发出黄绿光的荧光粉，可以发出混合白光，应用前景非常广泛，因此大量专利对氮化镓LED進行研究，共涉及1万多项专利。GaN专利器件布局情况详见图2所示。FET涉及4 424项专利，主要类型有：绝缘栅场效应管（IGFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、双极性晶体管（bipolar transistors）、结型场效应晶体管（JFET）、金属绝缘体半导体场效应晶体管（MISFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。激光二极管也是研究较多的器件类型，其专利数量有3 678项，仅次于FET。涉及二极管的专利共有1 151项，主要有整流二极管（rectifier diodes，661项）、光电二极管（photodiodes，184项）等。

2.加工工艺

GaN专利中的器件加工技术主要涉及：沉积方法、外延生长、刻蚀、掺杂、欧姆接触、封装、退火等。其中沉积方法主要是化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD），共涉及1 000余项专利，外延生长大都用CVD方法。刻蚀工艺主要有光刻蚀（332项）、化学刻蚀（281项）、等离子刻蚀（192项）、离子束刻蚀（34项）等。欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心，所用方法主要是离子注入（351项）。

通过TI的专利地图功能，也可以实现对专利技术领域的分析。GaN的应用领域主要是LED、FET、LD、太阳能电池、功率器件等方面，与MC分析结果基本一致。LED和FET是热点研发领域，其中FET的专利主要是对高电子迁移率晶体管（HEMT）的研究。技术层面主要涉及半导体单晶生长、欧姆接触、封装、刻蚀等，其中半导体单晶生长是热点研究领域，目前常用的方法是金属有机化学气相沉积（MOCVD），也称金属有机物气相外延（MOVPE）。根据上文对MC的分析，结合TI专利地图以及相关文献报道[3，4]，可以得到以下GaN核心技术领域：GaN外延生长、p型掺杂、欧姆接触、刻蚀工艺等。

三、氮化镓重点研发机构

全球专利申请量排名前15位的专利权人中，日本机构有11家，分别是住友集团（以下简称“住友”）、松下电器产业株式会社（以下简称“松下”）、三菱集团（以下简称“三菱”）、夏普公司（以下简称“夏普”）、东芝集团（以下简称“东芝”）、丰田汽车公司（以下简称“丰田”）、索尼公司（以下简称“索尼”）、富士通株式会社（以下简称“富士通”）、株式会社日立制作所（以下简称“日立”）、日亚化学工业株式会社（以下简称“日亚化学”）、罗姆半导体集团；韩国共2家，分别是三星集团和LG集团；中国的中国科学院（以下简称“中科院”）（第6位）和美国的加利福尼亚大学（以下简称“加州大学”）也进入前15位，详见图3所示。除中国和美国的专利权人为科研院所/高校外，其他Top 15的专利权人均为企业，基本是全球知名的电器及电子公司或大型企业集团。由此看出，GaN领域的专利较为集中的掌握在一些有影响力的机构手中，而由机构近3年的专利百分比来看，Top 15的机构均保持了较为活跃的研发状态，其中中科院、三菱、富士通、加州大学、东芝、LG近3年的专利百分比都在20%以上。

用TDA（Thomson Data Analyzer）对全球专利数量Top 30的专利权人进行了合作情况分析，发现日本各机构之间的合作甚为密切，如表1所示，而欧美的专利权人与Top 30其他机构之间的合作并不密切。中国大陆进入Top 30的机构有中科院和西安电子科技大学，但只有中科院与日本索尼公司有一项专利合作；台湾地区的Epistar、台湾半导体公司和台湾工业技术研究院也在Top 30，台湾工业技术研究院分别与日本昭和株式会社（以下简称“昭和”）、美国科锐公司以及台湾Epistar有不同程度的合作。

国内专利数量Top 10的专利权人如下：中科院、鸿海精密集团（富士康）、西安电子科技大学、中国电子科技集团公司第五十五研究所、三安光电、北京大学、南京大学、湘能华磊光电股份有限公司、上海蓝光科技有限公司、清华大学，公司和高校/科研机构的数量相当。其中中科院、北京大学、南京大学进入该领域的时间较早（20世纪90年代中后期），而企业则相对较晚。不同机构从事的技术领域各有偏重，西安电子科技大学、中国电子科技集团公司第五十五研究所主要研究领域为FET，其他8家机构则偏重LED的研究。

中科院共有28个中科院机构申请了氮化镓专利，主要研究所有：半导体研究所、微电子研究所、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、上海技术物理研究所等。从专利角度来看，半导体研究所实力最为雄厚，专利数量为305项，主要布局在LED领域，电极、外延生长、沉积、介电层等多个技术领域都有较多的专利。半导体研究所也是较早开始氮化镓研究的研究所之一，1999年就有相关专利申请。中科院机构中排名第2的微电子研究所共有90项专利，自2004年开始有专利申请，主要布局在FET领域，对电极、介电层的研究较多。

四、氮化镓高价值专利分析

专利强度是Innography独创的专利评价新指标，通过专利被引频次、诉讼、权利要求、PTO时效、法律状态、同族专利数量等计算得出综合强度，可以对专利进行评价，从而有效寻找核心专利。Top 10高价值专利的专利强度均在9级以上，其中有8项都是美国科锐公司所有，其余2项分别是德国欧司朗和日本日亚化学申请。这3家公司并不是GaN研发最早的机构，在专利数量上也并没有绝对领先的优势，专利数量国际排名处于10～20位，却掌握着高价值核心专利，且技术大都来源于自主研发。这10项专利大都布局在LED领域，其中科锐公司有较多涉及白光LED的专利。

对专利强度在9级以上的专利进行分析，发现美国专利占60%以上，处于绝对领先优势；日本约占20%，排名第2；我国仅占0.7%左右，共有8项专利，其中香港科技大学4项、台湾台达集团2项，大陆仅有2项专利，分别是西安捷威半导体有限公司申请的“一种增强型氮化镓HEMT器件结构”和江西晶能光电有限公司的“含有碳基衬底的铟镓铝氮发光器件以及其制造方法”。对我国GaN专利强度进行分析，发现约71%的专利强度在1级以下，而专利强度在5级以上的专利仅占3%左右，可见我国的专利在国际上影响力较低，专利质量有待提高，详见图4所示。

五、建议

通过对GaN领域的国内外发展现状进行调研，并借助分析工具对专利进行计量分析，得到以下几个方面的结论：①GaN领域的研究受到多个国家的重视，其中日本、美国不仅专利数量排名世界前列，还掌握了较多GaN核心技术，有较高的专利质量和国际影响力；相比之下，我国虽然专利数量排名第3位，但专利质量和国际影响力仍有待提升；②从技术领域布局来看，LED领域的专利数量远远超过其他领域，其次是FET和LD领域，在二极管和太阳能电池领域也有一定布局；氮化镓外延生长、掺杂、欧姆接触、刻蚀等工艺是GaN器件加工过程中的关键技术；③GaN专利较为集中地掌握在全球知名的电器及电子公司手中，日本和美国的一些机构有较强的国际竞争力，美国科锐公司掌握了较多高价值专利；我国中科院的专利数量在国际排名前列；日本一些机构之间保持了较密切的合作关系，而我国各机构之间的合作并不密切。

针对上述调研和分析，为了提升我国在氮化镓领域的国际竞争力，提出以下几点建议：

①鼓勵自主创新，加强GaN核心技术攻关，集中研发资源申请高技术含量的专利，提高专利质量；同时引进国外先进生产设备和工艺，协调好技术引进与自主研发之间的矛盾，加快技术进步；②加强国际合作，尤其是与国际知名机构的合作；重视专利在国际市场的保护，提高研发实力和国际影响力；③制定优惠政策和奖励措施，创造良好的研发环境，加强政府引导，对瓶颈技术进行集中攻关，寻求产业发展突破口。