王晶 王科
氮化镓（GaN）半导体材料作为第3代半导体的核心材料，自20世纪90年代开始用于LED显示领域，目前已广泛应用于普通照明及显示领域。而从2010年第1个GaN功率器件投入市场后，GaN功率器件又逐渐成为半导体功率器件主流。
2021年随着各国5G通讯、消费性电子、工业能源转换及新能源车等需求拉升，使得第3代半导体GaN及碳化硅（SiC）元件及模组需求强劲。其中，以GaN功率元件成长幅度最高[1]。市场需求量的持續增长将不断推动GaN半导体材料及应用领域的技术改进。
本文以GaN半导体材料及应用的中国专利文献为研究样本，通过了解国内GaN半导体材料及应用领域在中国的专利申请趋势、技术来源情况，从专利角度对国内GaN半导体材料及应用领域的技术研发实力进行定位。
1 专利申请概况
截至2021年8月，已公开的中国 GaN半导体材料及应用领域的专利申请量超过4万件，专利申请以发明专利申请为主。
从专利申请量增长情况看（见图1），1986—2000年之间，中国GaN半导体材料及应用领域的专利申请量较低，该阶段专利申请量仅占中国GaN领域专利申请量的0.6%。且从公开的专利文献中可以看出，虽然早在1986年就有专利公开了将GaN材料用于半导体芯片衬底的技术方案，但多将GaN材料视为衬底材料的可选材料之一，未进行针对性的技术保护。
从2000—2021年期间中国GaN半导体材料及应用领域的专利申请量逐年增长，且呈现持续快速增长的态势，特别是近10年（2011—2021年）的专利申请量占比达到了82.0%。
2 专利来源情况
针对中国GaN领域专利来源情况进行分析（见图2），整体上中国GaN领域的专利申请来源以中国本土的创新主体为主。
进一步对中国GaN领域各时间段的专利申请来源情况进行分析，2010年前国外来华的专利申请量相较中国本土的专利申请量具有一定的优势，以住友电气工业株式会社、松下电气产业株式会社、科锐（CREE）公司为代表的跨国企业在中国布局了大量GaN领域的专利。
2011年后，虽然中国本土申请人的专利申请量大幅度增长，但该阶段国外企业仍不断在中国进行专利布局，表明跨国企业非常重视中国市场。但因跨国企业在中国市场的专利布局时间早于中国本土申请人，其在中国所布局的有效期内的专利将对中国本土企业形成较大的威胁。
3 技术构成情况
结合前述可知，包括LED显示、照明等在内的光电显示及照明领域是GaN材料的一个主要应用领域，而应用GaN材料制备的功率器件则广泛的应用与5G设备中，这2个应用领域是目前GaN半导体材料的主要应用领域。
通过分析可以看出（见图3），中国GaN领域仍主要侧重于光电显示及照明领域的技术研发。但从专利申请量增长情况看，2001—2010年期间，功率器件领域的专利申请量仅为光电显示及照明领域专利申请量的1/4，近10年（2011—2021年）功率器件领域的专利申请量超过光电显示及照明领域专利申请量的50%，功率器件领域的专利申请量增速明显高于光电显示及照明领域，且伴随5G产业商用化进程的快速推进，功率器件领域的专利申请量将持续大幅度增长。
而从上述主要应用领域的专利来源情况来看（见表1），无论是光电显示及照明领域还是功率器件领域，国外申请人的专利布局时间均早于中国本土申请人，进一步反映出国外申请人对中国本土企业威胁性较大。
4 创新主体构成情况
从中国GaN领域创新主体构成情况来看（见图4），企业为国外来华专利申请的主要力量，专利申请量远高于大专院校、科研院所的专利申请量；
中国本土的专利申请也主要来源于企业，但大专院校、科研院所的专利申请量与企业的差距低于国外来华。
结合TOP5申请人情况可以看出（见表2），排名前5的中国本土申请人专利申请量差距较小，占中国本土专利申请量比例较低，技术较为分散，且3家企业中2家为中国台湾半导体企业。相比较而言，国外来华专利申请量排名前5的申请人中有4位为全球知名芯片生产企业，占国外来华专利申请量比例高于中国本土企业，技术集中度优于中国本土，且除松下电器产业株式会社外，均侧重于功率器件领域的专利布局。
进一步针对中国本土申请人构成情况进行分析（见表3），排名前5的企业中，晶元光电股份有限公司、台湾积体电路制造股份有限公司为中国台湾半导体企业。排名前5的中国本土企业专利申请量差距也较小，且有3家为光电显示及照明领域企业，从一定反映出国内半导体产业龙头企业的技术优势不明显，功率器件设计及制造相关企业的技术活跃度有待提升。
高校是科技成果转化和科技研发的第一阵地，对于我国科技发展起到了至关重要的推动作用[2]。且根据表3分析可知，大专院校在功率器件领域的专利申请量优于企业，具有一定的技术优势。特别是西安电子科技大学在郝跃教授的带领下，攻克了功率器件领域的多项技术难关，为我国氮化物第3代半导体电子器件步入国际领先行列作出了重要贡献。
科研机构也是科技研发的重要力量，中国科学院下属的中国科学院半导体研究所、中国科学院微电子研究所、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所，在功率器件领域表现突出。
综合创新主体构成及申请人排名情况来看，中国本土企业在GaN领域的虽然在2011年后在GaN领域积极进行专利布局，但整体实力仍与国外知名芯片制造企业具有一定差距，特别是在功率器件领域，中国本土企业还未具备显著优势。
5 结语
从前面分析可以看出，美国、日本等国家的知名半导体芯片企业在中国市场已布局有大量的专利，且布局时间早于中国本土企业，对中国企业的发展具有较大威胁。而我国本土企业在GaN领域的技术研发仍侧重于光电显示及照明领域，在功率器件领域还未形成技术优势，在GaN领域的技术研发投入仍需加强。
与此同时，从国际形势来看，近两三年中美科技竞争加剧，美国政府不断对我国高新技术企业实施制裁，对我国半导体产业整体发展影响较大，但也加强了中国提升半导体自主创新能力的紧迫感。
中国本土企业应抓紧当前产业调整的机遇，通过技术引进、吸纳高端人才、与大专院校合作等多种方式结合积极提升自主创新能力，加速芯片国产化进程，尽早打破国外垄断。
10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.005
参考文献
[1] 福布斯中国.预估今年GaN功率元件年增率高达73%，芯片股顺势大涨[EB/OL].https：//www.sohu.com/ a/488026296_100246910.
[2] 肖嫣然.自主创新战略下高校科技成果转化的主要模式及保障策略研究[J].科技经济导刊，2020，28（27）：210—213.
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