5G时代半导体产业专利布局现状及中国企业发展建议

2019-10-09王晶王科

新材料产业 2019年7期

王晶王科

2015年6月，国际电信联盟确定5G正式名称、愿景和时间表等关键内容。2017年11月15日，工业和信息化部发布《关于第五代移动通信系统使用3300～3600MHz和4 800～5 000MHz频段相关事宜的通知》[1]。

5G大规模商用时代正在一步步向我们走来，除了毫米波技术、大规模集成天线和编码技术、超密集组网等关键技术外，还有更为基础的半导体器件对5G技术的发展有至关重要的影响。

随着数据速率的快速增长，特别是从4G到5G，无线网络的传输速度呈现跨越式提升，对基站以及移动终端设备的要求随之增强，需要配备更新更快的应用处理器、基带以及射频器件。以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第3代半导体材料，因为其所具有的更宽的禁带宽度、更高的击穿电场等特性，更适用于制备5G技术中所需要的半导体器件、特别是5G通讯中所需的大功率器件，在5G通讯应用中有着非常广阔的前景和机遇。

本文以包括SiC、GaN在内适用于5G技术中的半导体材料及其半导体器件专利文献为研究样本，通过对全球专利申请趋势、中国专利布局现状、全球领先企业的专利布局情况进行分析，揭示适用于5G技术中的半导体领域（“以下称5G半导体产业”）的专利整体发展趋势、专利布局区域分布情况以及中国在该领域专利布局现状（见图1），最终从专利的角度为中国企业在5G半导体产业的发展提出建议。

1 5G半导体产业发展趋势

从专利申请趋势来看，以SiC、GaN、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的第3代半导体材料的研究发展起步时间较早。其中，SiC以及GaN早在20世纪就开始进行研究，特别是SiC材料早在1905年就在陨石中被发现，20世纪50代西屋公司研究SiC单晶获取方式并应用SiC材料作为晶体管材料；GaN专利申请晚于SiC材料，最早是1963年由美国柯达公司申请的GaN材料相关专利，其中IBM于1971年提出在半导体器件中使用GaN材料层。但由于受到SiC材料以及GaN材料所存在的各种技术问题的困扰，因而发展十分缓慢。从专利申请趋势也可以看出，在1961—1996年期间专利申请量增长缓慢，仅贡献了14.1%的专利申请总量。

20世纪90年代后期随着材料生长技术的日趋成熟，从1997年德国英飞凌布局SiC半导体器件专利开始，各大半导体厂商开始大量布局SiC材料、GaN材料以及相关半导体器件的专利，专利数量快速增长，进入发展的黄金时期。其中，1997—2010年期间的专利申请量占比达到了37.2%；2011—2019年期间的专利申请量占比达到了48.7%。并且，随着5G通讯技术的研发，对以GaN为代表的第3代半导体材料的需求越来越大。由此看来，应用于5G技术的半导体材料在未来几年会再次形成一次研发热潮。

2 地域分布情况现状

从全球5G半导体产业的专利布局区域分布情况（见图2）来看，中国是目前全球5G半导体产业最大的专利布局区域，虽然中国5G半导体产业起步较晚，但国家和各地方政府陆续推出政策和产业扶持基金发展包括SiC和GaN材料在内的第3代半导体相关产业，不少地方政府也有针对性对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持[2]，因此近年来年度专利申请量远超过其他区域。

日本是全球第2大专利布局区域，住友集团（SUMITOMO）、三菱集团（MITSUBISHI）、株式会社日立制作所（HITACHI）等在SiC以及GaN领域研发实力雄厚，拥有大量专利。同时，日本申请人不仅通过世界知识产权组织（World Intellectual property organization，WIPO）和欧洲专利局（European Patent Office，EPO）提交大量的专利申请，同时也在其主要的市场国进行了有针对性的专利布局，一定程度上反映了日本5G半导体产业的申请人全球多地区布局的意识非常强烈。

美国在全球5G半导体产业的专利申请量居全球第3位，美国国防部、能源部、科学技术委员会及其部分产学研机构纷纷制订有关SiC、GaN等半导体材料的开发项目[3]，积极推进5G半导体产业的技术研发以及战略部署，抢占市场。

而从主要国家/地区在5G半导体产业SiC、GaN材料的专利申请量布局情况来看，目前SiC布局的热度仍略高于GaN材料，且布局技术主要以SiC半导体器件以及GaN半导体器件为主。虽然中国专利申请量在全球居于首位，但结合研发时间及科研实力，SiC材料及SiC半导体器件领域美国、日本在全球的布局量具有绝对优势，居于领导地位。同样，GaN技术日本以及美国也拥有较强实力。

3 全球申请人分布情况现状

从全球5G半导体产业专利申请人排名情况来看，住友集团（SUMITOMO）在5G半导体产业的全球专利申请量排名第1，是5G半导体产业领跑者，MITSUBISHI、美国科锐（CREE）、松下（Panasonic）和 HITACHI分列第2～5位。中国本土申请人中，中芯国际（SMIC）、西安电子科技大学、电子科技大学、中国科学院半导体研究所、中国科学院微电子研究所进入全球前20榜单（见图3）。此外，日本企业表现突出，在排名前10的申请人中有6位日本企业，在5G半导体产业拥有较强实力。

4 中国专利申请现状

我国在开展SiC、GaN等适用于 5G技术半导体材料和器件方面的研究工作比较晚，20世纪80年代末期东北工学院、湖北工业大学以及中国科学院金属研究所逐渐开始在SiC提取方面开展研究并进行专利布局，但由于国外公司已经在全球范围内进行了大量的专利布局，并已着手在中國进行专利布局，技术发展阻力较大。

从专利来源来看，有27.1%的中国专利来自国外申请人，72.9%来自中国本土申请人，美、日、欧等国家和地区在中国已经进行了大量的专利部署（见图4）。国外来华申请人中，来自日本、美国的专利占比高达78%，其中来自日本的SUMITOMO、MITSUBISHI、日本Panasonic，德国英飞凌（Infineon）科技公司、美国的CREE等针对我国市场实施了不同程度的专利布局。

按照省份排名来看，江苏、广东、陕西是5G半导体产业专利申请量排名前3的省份，来自江苏省的中国电子科技集团公司第五十五研究所、东南大学、南京大学等，来自广东的华南理工大学、中山大学等，来自陕西的西安电子科技大学、西安交通大学、西北工业大学在5G半导体领域积极探索并实施专利布局策略。

按照城市排名来看，北京市、上海市、西安市是5G半导体产业专利申请量排名前3的城市，表1为排名前3的城市排名前3的申请人名单，可以看出，北京市和西安市以高校申请人为主，上海市排名前3的申请人企业申请人占主要力量。

5 中国技术创新主体

从中国5G半导体产业领域的申请人排名（表2）来看，排名前20的中国本土申请人以高校和研究所为主，其中西安电子科技大学和电子科技大学的专利申请量最多，前20榜单中仅有2家中国本土企业，其中SMIC在中国专利申请量排名第1。并且排名前20的申请人中，来自于日本的申请人有3家，分别是SUMITOMO、MITSUBISHI与Panasonic；韩国1家，为SAMSUNG，美国有2家，分别为CREE和IBM；德国1家，为Infineon。

从中国5G半导体产业领域的申请人排名分析可以再次看出，我国5G半导体产业领域技术主要掌握在高校及科研院手中，企业申请人整体水平在该领域实力并不突出；并且，住友、科锐等全球技术领先企业已在中国进行大量的专利布局，对中国企业的发展具有较大威胁。

6 相关建议

从前面分析来看，美日欧等发达国家通过制定相关的产业政策以及技术扶持计划，培养了众多龙头企业，在以SiC和GaN材料为代表的5G半导体产业已经占领了技术和市场的高地。而与此同时，中国资本试图收购国外优秀化合物半导体企业以快速获取人才和技术，却频频遭遇美国政府以危害国家安全为由予以否决[4]。

虽然目前我国已在5G半导体技术领域已经布局有大量专利，但全球的核心技术多掌握在全球知名的电器及电子公司手中，尤其是目前對产业线有掌控力的住友、科锐、英飞凌等，且中国5G半导体产业的专利主要来源于高校及科研院所，中国本土企业在市场规模和专利布局方面与这些公司差距明显。

但是不可否认的是，随着中国移动通信产业的发展壮大，我国在5G通信中已经拥有一席之地，这为我国5G半导体产业的发展提供了广阔的市场。并且，国内已经具备一定的5G半导体产业的发展基础，包括西安电子科技大学、电子科技大学，以及中国科学院半导体研究所、中国科学院微电子研究所在内的中科院下属研究所积累了大量的技术和人才。

基于此，中国企业应该抓住现今5G快速发展的机遇，充分发挥高校及科研院所的技术优势，将高校及科研院所的研发成果进行转化以尽快提升自身实力，缩小与美日欧等龙头企业的差距。一方面，可以选择利用外聘专家方式进行人才引进提升自身实力；另一方面，可以通过许可、转让等方式将高校或者科研院所的专利技术进行转化。