氮化鎵半導體材料發(fā)展現(xiàn)狀 氮化鎵基半導體材料是繼硅和砷化鎵基材料后的新一代半導體材料，被稱為第三代半導體材料，它具有寬的帶隙，優(yōu)異的物理性能和化學性能，在光電子領域具有廣泛的應用前景和研究價值。 用GaN基高效率藍綠光LED制作的超大屏全色顯示，可用于室內室外各種場合的動態(tài)信息顯示。作為新型高效節(jié)能固體光源，高效率白光LED使用壽命超過10萬小時，可比白熾燈節(jié)電510倍，達到節(jié)約資源、減少環(huán)境污染的雙重目的。GaN基LED的成功，引發(fā)了光電行業(yè)中的革命，發(fā)出藍光和紫外線的氮化鎵激光器也被用于高密度的DVD內，大大促進了音樂、圖片和電影存儲技術的發(fā)展。利用GaN材料，還可以制備紫外光探測器，它在火焰?zhèn)鞲小⒊粞鯔z測、激光探測器等方面具有廣泛應用。 在電子器件方面，利用GaN材料，可以制備高頻、大功率電子器件，有望在航空航天、高溫輻射環(huán)境、雷達與通信等方面發(fā)揮重要作用。例如在航空航天領域，高性能的軍事飛行裝備需要能夠在高溫下工作的傳感器、電子控制系統(tǒng)以及功率電子器件等，以提高飛行的可靠性，GaN基電子器件將起著重要作用。此外由于它在高溫工作時無需制冷器而大大簡化電子系統(tǒng)，減輕了飛行重量。 本報告針對氮化鎵材料相關專利進行檢索和分析，并結合有關報道分析技術發(fā)展現(xiàn)狀，通過對氮化鎵領域的專利分析揭示該領域當前的專利活動特點，為科技決策和課題研究提供支持。檢索數(shù)據(jù)來源于美國湯森路透科技公司的Derwent Innovation Index數(shù)據(jù)庫，利用關鍵詞設計檢索策略，共計檢出相關專利23234項，數(shù)據(jù)檢索日期為2015年6月30日。所采用的主要分析工具為TDA（Thomson Data Analyzer）、TI（Thomson Innovation）和Innography。氮化鎵專利數(shù)量趨勢分析 氮化鎵專利申請已有50多年歷史，最早是1963年由美國柯達公司申請的。遺憾的是，由于受到?jīng)]有合適的單晶襯底材料、位錯密度較大、n型本底濃度太高和無法實現(xiàn)p型摻雜等問題的困擾，氮化鎵曾被認為是一種沒有希望的材料，因而發(fā)展十分緩慢。 直到1989年，松下電器公司東京研究所的赤崎勇和弟子天野浩在全球首次實現(xiàn)了藍光LED；1993年，日本日亞化學工業(yè)公司（Nichia）的中村修二克服了兩個重大材料制備工藝難題：高質量GaN薄膜的生長和GaN空穴導電的調控，獨立研發(fā)出了大量生產(chǎn)GaN晶體的技術，并成功制成了高亮度藍色LED。因此，20世紀90年代后，隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善，GaN基器件的發(fā)展十分迅速，專利數(shù)量快速增長，進入發(fā)展的黃金時期。 2006年-2009年，氮化鎵專利數(shù)量的增長較為緩慢，甚至出現(xiàn)專利量減少的情況（2009年），但2010年開始，專利數(shù)量又急劇增加，這種變化可能顯示在該時間曾經(jīng)出現(xiàn)了一個技術上的突破或者關鍵進展。由此來看，GaN材料在未來幾年內可能又會形成一次研究熱潮。 美國和日本在GaN的研究上起步較早。20世紀90年代左右，日本率先克服了GaN材料制備工藝中的難題，掌握了生產(chǎn)高質量GaN薄膜的技術，隨后引發(fā)了GaN領域的研究熱潮，專利數(shù)量急劇增加；美國則比日本晚了5年左右，但隨著技術的不斷創(chuàng)新，美國與日本的差距逐漸減小，2010年美國的專利數(shù)量趕超了日本。中國和韓國均是20世紀90年代以后才有了專利申請，由于此時技術上已經(jīng)突破了瓶頸，因此專利數(shù)量增長較快，逐漸在國際上占據(jù)了一席之地。氮化鎵專利區(qū)域布局分析 GaN材料的大部分專利掌握在四個國家手中，其專利數(shù)量占據(jù)了全球專利總量的90%之多，分別是日本（38%）、美國（21%）、中國（16%）、韓國（15%）。四大主要專利來源國在國際市場均有不同程度的專利布局，日本在美國的專利申請比例高達34.5%（日本專利總量為9449項），美國在WO和日本的專利申請比例分別達到37.4%和24.9%（美國專利總量為5304項），韓國在美國的專利申請比例高達48.1%（韓國專利總量為3864項）。中國在國外也有較多的專利布局，但比例與其他三個國家相差較遠。氮化鎵專利技術領域布局分析 基于德溫特手工代碼（Manual Code，MC）的統(tǒng)計，對氮化鎵專利涉及的器件類型和加工工藝進行分析。1.器件類型 根據(jù)對MC的統(tǒng)計，氮化鎵專利涉及到的器件類型主要有發(fā)光二極管（light emitting diodes，LED）、場效應晶體管（field effect transistors，F(xiàn)ET）、激光二極管（laser diodes，LD）、二極管、太陽能電池等。其中FET涉及多種類型的器件：IGFET、HEMT、MOSFET、bipolar transistor、JFET、MISFET、IGBT等。二極管主要涉及整流二極管、光電二極管等。2.加工工藝 半導體器件加工方面涉及的主要技術有：電極、沉積方法、介電層、外延生長、刻蝕、摻雜、歐姆接觸、封裝、退火等。其中沉積方法主要是化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD），共涉及一千余項專利，外延生長大都用CVD方法?？涛g工藝主要有光刻蝕、化學刻蝕、等離子刻蝕、離子束刻蝕等。歐姆接觸在金屬處理中應用廣泛，實現(xiàn)的主要措施是在半導體表面層進行高摻雜或者引入大量復合中心，所用方法主要是離子注入。核心技術1.氮化鎵專利熱點領域及核心技術分析 使用Thomson Innovation繪制了氮化鎵領域專利地圖（圖2），可以看出，氮化鎵的應用領域主要是LED、FET、LD、太陽能電池、功率器件等方面，LED和FET是熱點研發(fā)領域，其中FET的專利中主要是對HEMT（高電子遷移率晶體管）的研究。涉及的技術領域主要有半導體單晶生長、歐姆接觸、封裝、刻蝕等，其中半導體單晶生長是熱點研究領域，目前常用的方法是MOCVD（金屬有機化學氣相沉積），也稱MOVPE（金屬有機物氣相外延）。根據(jù)上文對德溫特手工代碼的分析，結合TI專利地圖以及相關文獻報道，氮化鎵核心技術主要涉及外延生長、p型摻雜、歐姆接觸、刻蝕工藝等方面。2.氮化鎵領域高價值專利分析 采用Innography分析工具對專利價值進行評價，TOP 10高價值專利中有8項是美國的科銳（Cree）公司所有，其余兩項分別是德國歐司朗（Osram）和日本日亞化學（Nichia）申請，從涉及的技術領域看，大都是對LED器件的開發(fā)，其中科銳公司較多涉及白光LED的專利。對專利強度在9級以上的GaN專利進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)美國專利占59.3%，日本專利占16.3%，而我國僅占0.6%，可見我國仍需加強核心技術的研發(fā)和保護。重點機構1.國際重點機構研發(fā)實力分析 氮化鎵領域專利申請量排名前15位的專利權人中，日本機構有11家，分別是住友、松下、三菱、夏普、東芝、豐田、索尼、富士通、日立、日亞化學、羅姆；韓國共2家，分別是三星和LG；中國的中科院（第6位）和美國的加州大學（第15位）也進入前15位。除中國和美國的專利權人為科研院所/高校外，其他TOP 15的專利權人均為企業(yè)，基本是全球知名的電器及電子公司或大型企業(yè)集團。TOP 15的機構均保持了較為活躍的研發(fā)狀態(tài)，其中中科院、三菱、富士通、加州大學、東芝、LG近三年的專利百分比都在20%以上。 對TOP 30專利權人進行合作關系分析，發(fā)現(xiàn)日本各機構之間的合作較多，其中日本住友集團、豐田集團和三菱集團比較重視與其他機構的合作。歐美的機構中歐司朗與英飛凌有兩項專利合作，其他機構合作關系并不密切。中科院與日本索尼公司有一項合作，臺灣地區(qū)的臺灣工業(yè)技術研究院分別與日本昭和、美國科銳以及臺灣Epistar有不同程度的合作。 從技術布局來看，除富士通專注于FET方面的專利布局外，其他機構在LED領域的專利申請量都占據(jù)了較大比重，其中LG、三星和松下的專利數(shù)量占據(jù)前三位；FET領域專利數(shù)量較多的機構有住友、富士通、東芝、松下等；松下、住友、夏普、索尼等公司除了在LED領域有較多的專利布局，在LD領域也有突出表現(xiàn)，而韓國三星和LG則在此領域布局較少。在技術層面，各專利權人都比較重視在電極、沉積方法、介電層和外延生長方面的研發(fā)。2.國內重點研發(fā)機構 在國內專利數(shù)量TOP 10的專利權人里，公司和高校/科研機構的數(shù)量相當。從專利的涉及年份來看，中科院、北京大學、南京大學進入該領域的時間較早（上世紀90年代中后期），而企業(yè)則相對較晚，但近幾年的研發(fā)都較為活躍。不同機構從事的技術領域各有偏重，西安電子科技大學、中國電子科技集團公司第五十五研究所主要研究領域為FET，其他8家機構則偏重LED的研究。 中科院共有28個下屬科研機構申請了氮化鎵專利，主要研究所有：半導體研究所、微電子研究所、蘇州納米技術與納米仿生研究所、上海技術物理研究所等，其中半導體研究所的實力最為雄厚，專利數(shù)量為305項。主要結論 1.從20世紀60年代起就有GaN專利申請，但發(fā)展十分緩慢，90年代后隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善，GaN基器件的發(fā)展十分迅速。 2.日本、美國、中國、韓國是主要技術來源國，約占全球專利總量90%，中國進入該領域時間較晚，但專利數(shù)量快速增長。 3.GaN主要應用在LED、FET和LD等領域，關鍵技術在于氮化鎵外延生長、摻雜工藝、歐姆接觸、刻蝕工藝等。 4.GaN專利較為集中地掌握在全球知名的電器及電子公司手中，中國科學院的專利數(shù)量在國際排名前列，美國Cree公司掌握了較多高價值專利。