产业与政策丨基于氮化镓全球专利布局特点推进我国氮化镓产业创新发展
作者简介
王 潇
中国信息通信研究院知识产权中心高级研究员，主要从事集成电路、移动互联网、工业互联网、移动终端等领域的知识产权发展趋势、企业知识产权实务、热点知识产权事件等研究工作。王 晶
中国信息通信研究院技术与标准研究所高级研究员，主要从事ICT领域技术发展趋势、企业战略规划等研究工作。王 莎
中国信息通信研究院知识产权中心高级研究员，主要从事ICT领域产业法律制度、企业知识产权等研究工作。李文宇
中国信息通信研究院知识产权中心主任，主要从事ICT领域知识产权交易、知识产权诉讼、企业合规等研究工作。论文引用格式
王潇, 王晶, 王莎, 等. 基于氮化镓全球专利布局特点推进我国氮化镓产业创新发展[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(5):53-59.
基于氮化镓全球专利布局特点推进我国氮化镓产业创新发展
王潇1 王晶2 王莎1 李文宇1
（1. 中国信息通信研究院知识产权中心，北京 100191；2. 中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191）
摘要：由于横向扩散金属氧化物半导体（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，LDMOS）器件物理层面已处于极限状态，因此5G基站采用了射频氮化镓器件取代LDMOS器件。氮化镓属于宽禁带半导体，可承受更高的工作电压，工作温度和功率密度，因而其能耗、频率等方面品质更优。从年度申请量、申请人、地域分布、技术分布等多个角度对全球氮化镓及氮化镓功率放大器的专利布局进行分析，基于专利数据特点，从专利层面提出推动我国氮化镓企业知识产权能力建设的建议。
关键词：氮化镓；氮化镓功率放大器；专利
中图分类号：TN304；G306；TN722.75 文献标识码：A
引用格式：王潇, 王晶, 王莎, 等. 基于氮化镓全球专利布局特点推进我国氮化镓产业创新发展[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(5):53-59.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.05.011
0 引言
第五代移动通信（5G）实现了用户体验更快、时延更低以及设备连接密度更大的特点，带动了通信器件向高速化、集成化、小型化的趋势发展。随着通信器件性能需求的提升，许多企业除了加强自身知识产权实力、加大研发投入外，还通过收购、并购等市场行为快速提升自身技术实力储备。这些行为也导致了全球通信器件行业知识产权格局的重新洗牌，推动了产品之间的竞争。
移动通信领域的竞争既是建立在核心通信芯片技术基础之上，也是建立在底层半导体技术基础之上，而技术的更新迭代则推动了产品的不断优化与升级。因为技术的进步和标准的升级，既带动了技术性能的升级，也带来了通信器件性能的改进和提升，同时也使通信器件工艺制程得到改进[1]。随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限，摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓，未来半导体技术的提升，除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后的“剩余价值”外，寻找硅（Si）以外的新一代半导体材料，成了一个重要的选择，而氮化镓（GaN）作为新的热点高频词汇逐渐进入人们的视野[2]。作为第三代半导体材料，GaN拥有众多比Si和GaAs更优越的性能，可以作为射频器件的首选材料。GaN射频器件的应用领域广泛，如卫星通信、通信基站，其中无线通信基站市场是GaN射频器件最大的应用市场[3]。据工业和信息化部发布的数据，2020年我国新增5G基站约58 万个，累计已建成5G基站71.8 万个，2021年计划新建5G基站60 万个以上。不断增长的通信基站需求，进一步推动了GaN功率放大器的市场需求和技术改进。
本文主要从年度申请趋势、申请人、技术分布等维度对全球GaN及GaN功率放大器的发明专利进行分析，在筛选清洗数据后分析提炼其特点，以期使GaN相关企业和机构更好地了解该领域全球及国内的专利布局现状，并结合自身技术发展路径，在对比中找准自身定位、摸清潜在风险、明确发展方向，以便制定更有针对性、实施性更强的专利发展战略和风险应对方案，全方位提升我国GaN产业知识产权综合能力。
1 GaN全球专利布局
截至2020年6月，“七国两组织”（七国：中国、日本、美国、英国、法国、德国、瑞士；两组织：欧洲专利局、国际知识产权组织）已公布的GaN发明专利（本文专利均为发明专利）总量近3.1 万件。如图1所示，GaN专利最早在1963年出现，但早期的申请较零散，每年的申请数量仅为个位数。自1993年始，GaN创新活动逐步活跃，带动其专利申请数量快速增长，并于2006年出现第一次申请高峰。随后GaN全球专利数量略有下降，逐年出现波动性变化，技术发展进入稳定阶段。随着GaN在通信领域的广泛应用，GaN专利申请热度不减，专利申请量在近十五年持续居于高位，技术创新活跃 。
图1 GaN全球专利年度申请趋势（数据来源：中国信息通信研究院知识产权中心）
通信器件的改进和提升，带动了器件各环节的改进，其专利申请方向也随之发生变化。据中国信息通信研究院知识产权中心统计，全球65%的GaN发明专利高度集中在设计环节，24%集中在制造环节，设计及制造环节的专利高占比延续了半导体工艺技术创新活跃的特点。值得关注的是，18%的GaN发明专利集中在材料环节，较高比例的材料专利显示了氮化镓材料从早期二极管时代发展到现在5G核心射频器件的过程中不断推出更具创新的提取、制备、生产等新技术，迎合了市场对通信器件高性能的需求。
如图2所示，全球GaN发明专利中仅有35%发明专利属于有效专利，而近30%处在实质审查中，还未获得专利授权，法律状态并不稳定。另外，35%的GaN发明专利已失效，失效比较高，主要原因为未缴纳年费和视为放弃，这与企业应对GaN应用快速发展而主动调整市场战略因素有关。失效专利中仅有557 件发明专利属于20年保护期届满而自然失效，这些被权利人连续持有20年而未被中途放弃的专利通常属于基础专利或高价值专利，因此获得了企业的定期缴费维护。
图2 GaN全球专利法律状态统计（数据来源：中国信息通信研究院知识产权中心）
从图3的GaN全球专利地域分布情况可以看出，中国、日本、美国是重点布局国家，分别布局了28%、25%、19%。对专利数据分析可知，中国、日本、美国3个国家的专利年度申请趋势并不相同，中国的GaN专利从2008年开始迅速增长，并且增速明显，每年申请的专利数量远超出日本、美国，而日本、美国的GaN专利则呈现出相近的申请趋势，并在后期都出现专利申请量下降的迹象。我国的GaN专利数量位居全球第一，这一方面与我国大力发展第三代半导体产业的国家计划和政策支持密不可分，另一方面也与我国半导体市场在全球愈加重要有关。
图3 GaN全球专利地域分布（数据来源：中国信息通信研究院知识产权中心）
据中国信息通信研究院知识产权中心统计，全球GaN发明专利中39%来源于日本，日本企业在GaN材料领域积累深厚，GaN全球排名前20位的专利权人中，共有住友、松下、丰田等12 家日本企业，这12 家日本企业的GaN专利申请总量占全球GaN专利申请总量的24%，由此可见日本企业在GaN领域技术实力处于领先地位；有3 家美国企业/机构进入 GaN全球专利权人排名前20 位，分别是加利福尼亚大学、科瑞、英特尔；中国的中国科学院半导体研究所、华灿光电（浙江）有限公司、西安电子科技大学位列全球GaN专利权人排名前20，我国企业/科研机构/大学对于GaN技术的研究实力较强，全球26%的GaN发明专利来源于中国；此外，韩国的三星、LG在GaN领域创新实力也较强。
如图4所示，全球GaN专利技术主要集中在氮化镓相关的材料、设计、制造领域。全球GaN发明专利中23%集中在国际专利分类（International Patent Classification，IPC）号H01L33/00中，即半导体器件中至少有一个电位跃变势垒或表面势垒专门适用于光发射的半导体器件，或专门适用于制造处理这些半导体器件的方法或设备；14%集中在IPC号H01L33/32中，即含氮半导体器件中至少有一个电位跃变势垒或表面势垒专门适用于光发射的半导体器件，及专门用于制造处理这些半导体器件的方法或设备；12%集中在IPC号H01L21/205中，即半导体器件中专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备，主要指应用气态化合物的还原或分解过程产生固态凝结物（即化学沉积）；11%集中在IPC号H01L29/778中，即半导体器件中专门适用于整流、放大、振荡或切换，并具有至少一个电位跃变势垒或表面势垒的半导体器件，例如PN结耗尽层或载流子集结层的电容器或电阻器；9%集中在IPC号H01L21/20中，即专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备，特指半导体材料在基片上的沉积，例如外延生长。
图4 全球GaN专利技术（IPC）分布（数据来源:《国际专利分类表（2018版）》）
2 GaN中国专利布局
据中国信息通信研究院知识产权中心统计，GaN中国专利最早出现在1986年，随后专利数量逐年增加，增速明显；截至2020年6月，GaN中国专利申请近9000 件，并至此呈现出逐年增加的趋势，与国际专利申请趋势趋同（见图5）。
图5 GaN全球/中国专利年度申请趋势（数据来源：中国信息通信研究院知识产权中心）
据中国信息通信研究院知识产权中心统计，GaN中国专利中有效专利与失效专利的比例接近，失效专利占专利总量的32%，主要失效原因为撤回、未缴纳年费、驳回，专利被驳回比例较高与专利实质审查阶段专利质量较低有关；有效专利约占专利总量的33%，约有35%的发明专利处在实质审查中，未获得专利授权。大量GaN中国专利仍在实质审查阶段而未授权说明GaN中国专利申请时间偏晚，未授权状态也导致了GaN中国专利布局的不确定性。
据中国信息通信研究院知识产权中心分析，GaN中国专利持有人以本土企业/机构为主，其中申请企业大多来自LED光电领域。GaN中国专利排名前20位的专利权人中，有17家本土企业/机构，其中华灿、映瑞、彩虹蓝光、三安等企业均围绕材料、设计、制造等环节布局专利，具体涉及外延、衬底、材料提取技术；中科院、中国电子科技集团、西安电子科技大学、北京大学、电子科技大学也围绕材料、器件等领域申请较多专利。此外，日本企业很重视中国GaN市场，住友、松下、丰田等都在中国申请了GaN专利。
如图6所示，在GaN中国专利技术分布中，全球GaN发明专利中41%集中在 IPCH01L33/00，与全球专利的分类侧重相同；14%集中在H01L29/778，与全球专利的侧重有不同；10%集中在 IPCH01L33/06，即至少有一个电位跃变势垒或表面势垒专门适用于光发射的半导体器件，专门适用于制造或处理这些半导体器件或其部件的方法或设备，特指在发光区中，例如量子限制结构或隧道势垒；6%集中在H01L21/02，即专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备，特指半导体器件或其部件的制造或处理；5%分别集中在IPCH01L33/32、H01L33/12、H01L33/14，即含氮类半导体器件材料、半导体结构中具有一个应力弛豫结构（例如缓冲层）、半导体结构中具有一个载流子传输控制结构（例如高掺杂半导体层或电流阻断结构）。
图6 GaN全球/中国专利年度申请趋势（数据来源:《国际专利分类表（2018版）》）
此外，对中国本土机构申请的GaN发明专利进行分析可以看出，我国本土企业和机构在GaN衬底外延、材料提取领域实力较强，申请了一定数量的专利，已形成一定规模布局。
3 GaN功率放大器全球专利布局
从图7的GaN功率放大器全球/中国专利年度申请趋势中可以看出，截至2020年6月，全球共有近3000 件GaN功率放大器发明专利，GaN功率放大器全球范围内申请数量呈现持续、快速的增长趋势，中国的专利申请趋势与国际趋势基本相同；GaN功率放大器发明专利最早出现在1973年，2000年以前其申请数量并不多，从2000年开始，5G的发展带动了GaN功率放大器的研发，其专利申请量逐年增长；中国最早的GaN功率放大器发明专利出现在1999年，晚于国际26年，虽然中国GaN功率放大器专利出现较晚，但申请数量也在逐年增长。
图7 GaN功率放大器全球/中国专利年度申请趋势（数据来源：中国信息通信研究院知识产权中心）
根据中国信息通信研究院知识产权中心的研究，中国、美国、日本属于GaN功率放大器重点布局的国家，3个国家的专利总数占全球专利总数的75%。美国在GaN功率放大器方面拥有领先优势，全球32%的GaN功率放大器专利来自美国申请人，美国企业英特尔、Avitas、MACOM、CREE、Qorvo均拥有众多GaN功率放大器专利；日本企业实力整体强劲，全球20%的GaN功率放大器专利来源于日本申请人，松下、富士通、东芝、富士、住友的专利数量都处于全球排名前20位；全球17%的GaN功率放大器专利来源于中国申请人，大量中国高校/科研机构申请了GaN功率放大器专利，其中西安电子科技大学、电子科技大学、中国科学院微电子研究所、东南大学、北京大学、复旦大学等的专利数量排名靠前，显示了较强的GaN功率放大器研究实力。
GaN功率放大器中国专利以本土申请人为主，主要由高校、科研机构、器件设计制造企业持有。值得关注的是，外国专利权人在中国布局的GaN功率放大器专利较少，仅三星、英特尔、夏普、富士通等企业申请了少量专利。
此外，通过对全球专利持有人特征进行分析可以看出，GaN功率放大器专利持有人虽然类型较多，但并没有出现类似通信领域专利过多集中在某些行业巨头手中的情况，而是分散在大量不同类型的企业、机构中。这种专利分散现象可能会让企业在创新和生产中遇到需要多头支付专利许可费用的情形，不光增加了企业的成本负担，还使企业在运营中存在较高的专利侵权风险[4]。
4 国内GaN专利发展建议
2018—2019年，受电信业和国防应用的推动，全球GaN的市场规模由7 亿美元增长至8.2 亿美元，其中射频器件市场规模约7.4 亿美元，电力电子市场规模约0.76 亿美元。2020年，随着5G的应用和推广，全球GaN的市场规模突破10 亿美元[5]。
2015年5月，国务院印发的相关文件4次提到了以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件；2018年7月，国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布，该路线图主要从衬底/外延/器件、封装/模块、SiC应用、GaN应用4个方面展开论述，提出了中国发展第三代半导体电力电子技术的路径建议和对未来产业发展的预测[6]。
虽然GaN早期基础专利仍被美国、日本、韩国掌握，但我国经过一段时间的发展已取得很大进步。近年我国企业的专利申请数量有所上升，全球GaN专利中中国申请人占比达26%、全球GaN功率放大器专利中中国申请人占比达17%，并且我国企业在GaN衬底外延、材料提取、GaN功率放大器领域专利实力较强，已形成了核心技术实力。但是，目前我国GaN专利仍存在分布较为分散、没有形成有效布局的实际情况。同时，伴随国外企业并购、收购、合作等因素，国外半导体巨头间技术交融、专利交叉许可更加频繁，这使得国外半导体企业既提升了自身专利实力，也降低了巨头间通过专利诉讼互相伤害的几率[7]。值得关注的是，由于GaN技术出现较早，大量早期申请的GaN基础专利已失效或即将失效，因此存在较多我国企业在GaN新兴应用领域中布局专利、提升实力实现超车的战术良机。
结合上述因素，建议我国GaN企业继续加强具有创新性专利的申请和布局；继续缩小与国际领先企业之间的差距；在积累专利申请数量的同时，提升专利质量；针对重要技术规划合理的专利保护范围，降低后期专利诉讼中专利被无效的风险；围绕自身核心技术、关键产品展开高效的专利挖掘工作，实施合理的专利申请规划。此外，建议行业龙头强企对国内外同行业有创新竞争力的企业开展收购，加快技术的引进、吸收、再创新速度；建议相关行业协会建立产业链各环节知识产权共享机制，构建资源互通与共享体系，借助我国高校和研究机构在GaN方面的研究基础，推动知识产权成果转化，鼓励以许可、转让等方式将科研院所的高质量专利转化给企业使用，带动产学研联动。
5 结束语
随着我国GaN企业市场份额的不断提升、企业专利意识的不断加强，在全球产业升级的发展机遇下，我国GaN企业应明确目标、加强合作，通过规划专利布局、整合专利资源等手段推动企业自身知识产权实力的提升，进而提升在全球产业竞争中的综合实力。
参考文献
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Promoting the innovation and development of China’ s GaN industry based on the characteristics of GaN global patent distribution
WANG Xiao1, WANG Jing2, WANG Sha1, LI Wenyu1
(1. Intellectual Property Center, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China; 2. Institute of Technology and Standards, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)
Abstract: Due to the physical limit of LDMOS devices, 5G(5th generation mobile networks)base stations began to use RF GaN devices to replace LDMOS devices. As a wide band gap semiconductor, gallium nitride can withstand higher operating voltage, which means that its power density and working temperature are higher. Therefore, it has the characteristics of high-power density, low energy consumption, high frequency and wide bandwidth. This paper analyzes the global patent distribution of GaN and GaN power amplifier from the perspectives of annual applications, applicants, geographical distribution, and technology distribution. Based on the characteristics of patent data, this paper gives some suggestions to promote the construction of intellectual property capacity of GaN enterprises in China.
Keywords: GaN; GaN power amplifier; patent
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第5期
主办：中国信息通信研究院
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