1、氮化镓半导体材料发展现状氮化镓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，被称为第三代半导体材料，它具有宽的带隙，优异的物理性能和化学性能，在光电子领域具有广泛的应用前景和研究价值。用 GaN 基高效率蓝绿光 LED 制作的超大屏全色显示，可用于室内室外各种场合的动态信息显示。作为新型高效节能固体光源，高效率白光 LED 使用寿命超过 10 万小时，可比白炽灯节电 510 倍，达到节约资源、减少环境污染的双重目的。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
2、，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，可以制备高频、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，减轻了飞行重量。本报告针对氮化镓材料相关专利进行检索和分析，并结合有关报道分析技术发展现状，通过对氮化镓领域的专利分析揭示该领域当前的专利活动特点，为科技决策和课题研究提供支持。检索数据
3、来源于美国汤森路透科技公司的Derwent Innovation Index 数据库，利用关键词设计检索策略，共计检出相关专利 23234 项，数据检索日期为 2015 年 6 月 30 日。所采用的主要分析工具为 TDA（Thomson Data Analyzer）、TI （Thomson Innovation）和Innography。氮化镓专利数量趋势分析氮化镓专利申请已有 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
4、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，日本日亚化学工业公司（Nichia）的中村修二克服了两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。2006 年 -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 年开始，专利数量又急剧增
5、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。由此来看，GaN 材料在未来几年内可能又会形成一次研究热潮。美国和日本在 GaN 的研究上起步较早。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。中国和韩国均是 20 世纪 90 年代以后才有了专利申请，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。氮化镓专利区
6、域布局分析GaN 材料的大部分专利掌握在四个国家手中，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%）。四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%（日本专利总量为 9449 项），美国在 WO 和日本的专利申请比例分别达到 37.4%和 24.9%（美国专利总量为 5304 项），韩国在美国的专利申请比例高达 48.1%（韩国专利总量为 3864 项）。中国在国外也有较多的专利布局，但比例与其他三个国家相差较远。氮化镓专利技术领域布局分析基于德温特手工代码（Manual Code，
7、MC）的统计，对氮化镓专利涉及的器件类型和加工工艺进行分析。1.器件类型根据对 MC 的统计，氮化镓专利涉及到的器件类型主要有发光二极管（light emitting diodes，LED ）、场效应晶体管（ field effect transistors，FET）、激光二极管（ laser diodes，LD）、二极管、太阳能电池等。其中 FET 涉及多种类型的器件： IGFET、HEMT、MOSFET、bipolar transistor、 JFET、MISFET 、IGBT 等。二极管主要涉及整流二极管、光电二极管等。2.加工工艺半导体器件加工方面涉及的主要技术有：电极、沉积方法、介电
8、层、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），共涉及一千余项专利，外延生长大都用 CVD 方法。刻蚀工艺主要有光刻蚀、化学刻蚀、等离子刻蚀、离子束刻蚀等。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。核心技术1.氮化镓专利热点领域及核心技术分析使用 Thomson Innovation 绘制了氮化镓领域专利地图（图 2），可以看出，氮化镓的应用领域主要是 LED、FET、LD、太阳能电池、功率器件等方面，LED 和 FET 是热
9、点研发领域，其中 FET 的专利中主要是对 HEMT（高电子迁移率晶体管）的研究。涉及的技术领域主要有半导体单晶生长、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MOCVD（金属有机化学气相沉积），也称 MOVPE（金属有机物气相外延）。根据上文对德温特手工代码的分析，结合 TI 专利地图以及相关文献报道，氮化镓核心技术主要涉及外延生长、p 型掺杂、欧姆接触、刻蚀工艺等方面。2.氮化镓领域高价值专利分析采用 Innography 分析工具对专利价值进行评价，TOP 10 高价值专利中有 8 项是美国的科锐（Cree）公司所有，其余两项分别是德国欧司朗（Osram）
10、和日本日亚化学（Nichia）申请，从涉及的技术领域看，大都是对LED 器件的开发，其中科锐公司较多涉及白光 LED 的专利。对专利强度在 9 级以上的 GaN 专利进行统计，发现美国专利占 59.3%，日本专利占 16.3%，而我国仅占 0.6%，可见我国仍需加强核心技术的研发和保护。重点机构1.国际重点机构研发实力分析氮化镓领域专利申请量排名前 15 位的专利权人中，日本机构有 11 家，分别是住友、松下、三菱、夏普、东芝、丰田、索尼、富士通、日立、日亚化学、罗姆；韩国共 2 家，分别是三星和 LG；中国的中科院（第 6 位）和美国的加州大学（第 15 位）也进入前 15 位。除中国和美国
11、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。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 近三年的专利百分比都在 20%以上。对 TOP 30 专利权人进行合作关系分析，发现日本各机构之间的合作较多，其中日本住友集团、丰田集团和三菱集团比较重视与其他机构的合作。欧美的机构中欧司朗与英飞凌有两项专利合作，其他机构合作关系并不密切。中科院与日本索尼公司有一项合作，台湾地区的台湾工业技术研究院分别与日本昭和、美国科锐以及台湾 Epistar 有不同程度的合作。从技术布局来看，除
12、富士通专注于 FET 方面的专利布局外，其他机构在LED 领域的专利申请量都占据了较大比重，其中 LG、三星和松下的专利数量占据前三位；FET 领域专利数量较多的机构有住友、富士通、东芝、松下等；松下、住友、夏普、索尼等公司除了在 LED 领域有较多的专利布局，在 LD 领域也有突出表现，而韩国三星和 LG 则在此领域布局较少。在技术层面，各专利权人都比较重视在电极、沉积方法、介电层和外延生长方面的研发。2.国内重点研发机构在国内专利数量 TOP 10 的专利权人里，公司和高校 /科研机构的数量相当。从专利的涉及年份来看，中科院、北京大学、南京大学进入该领域的时间较早（上世纪 90 年代中后期
13、），而企业则相对较晚，但近几年的研发都较为活跃。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 个下属科研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，其中半导体研究所的实力最为雄厚，专利数量为 305 项。主要结论1.从 20 世纪 60 年代起就有 GaN 专利申请，但发展十分缓慢，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。2.日本、美国、中国、韩国是主要技术来源国，约占全球专利总量 90%，中国进入该领域时间较晚，但专利数量快速增长。3.GaN 主要应用在 LED、FET 和 LD 等领域，关键技术在于氮化镓外延生长、掺杂工艺、欧姆接触、刻蚀工艺等。4.GaN 专利较为集中地掌握在全球知名的电器及电子公司手中，中国科学院的专利数量在国际排名前列，美国 Cree 公司掌握了较多高价值专利。
