氮化鎵半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀
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氮化鎵半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀 氮化鎵基半導(dǎo)體材料是繼硅和砷化鎵基材料后的新一代半導(dǎo)體材料,被稱為第三代半導(dǎo)體材料,它具有寬的帶隙,優(yōu)異的物理性能和化學(xué)性能,在光電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。 用GaN基高效率藍(lán)綠光LED制作的超大屏全色顯示,可用于室內(nèi)室外各種場(chǎng)合的動(dòng)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(guò)10萬(wàn)小時(shí),可比白熾燈節(jié)電510倍,達(dá)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(lán)光和紫外線的氮化鎵激光器也被用于高密度的DVD內(nèi),大大促進(jìn)了音樂(lè)、圖片和電影存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。利用GaN材料,還可以制備紫外光探測(cè)器,它在火焰?zhèn)鞲?、臭氧檢測(cè)、激光探測(cè)器等方面具有廣泛應(yīng)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(dá)與通信等方面發(fā)揮重要作用。例如在航空航天領(lǐng)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(shí)無(wú)需制冷器而大大簡(jiǎn)化電子系統(tǒng),減輕了飛行重量。 本報(bào)告針對(duì)氮化鎵材料相關(guān)專利進(jìn)行檢索和分析,并結(jié)合有關(guān)報(bào)道分析技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,通過(guò)對(duì)氮化鎵領(lǐng)域的專利分析揭示該領(lǐng)域當(dāng)前的專利活動(dòng)特點(diǎn),為科技決策和課題研究提供支持。檢索數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)湯森路透科技公司的Derwent Innovation Index數(shù)據(jù)庫(kù),利用關(guān)鍵詞設(shè)計(jì)檢索策略,共計(jì)檢出相關(guān)專利23234項(xiàng),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T(mén)DA(Thomson Data Analyzer)、TI(Thomson Innovation)和Innography。氮化鎵專利數(shù)量趨勢(shì)分析 氮化鎵專利申請(qǐng)已有50多年歷史,最早是1963年由美國(guó)柯達(dá)公司申請(qǐng)的。遺憾的是,由于受到?jīng)]有合適的單晶襯底材料、位錯(cuò)密度較大、n型本底濃度太高和無(wú)法實(shí)現(xiàn)p型摻雜等問(wèn)題的困擾,氮化鎵曾被認(rèn)為是一種沒(méi)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(shí)現(xiàn)了藍(lán)光LED;1993年,日本日亞化學(xué)工業(yè)公司(Nichia)的中村修二克服了兩個(gè)重大材料制備工藝難題:高質(zhì)量GaN薄膜的生長(zhǎng)和GaN空穴導(dǎo)電的調(diào)控,獨(dú)立研發(fā)出了大量生產(chǎn)GaN晶體的技術(shù),并成功制成了高亮度藍(lán)色LED。因此,20世紀(jì)90年代后,隨著材料生長(zhǎng)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(zhǎng),進(jìn)入發(fā)展的黃金時(shí)期。 2006年-2009年,氮化鎵專利數(shù)量的增長(zhǎng)較為緩慢,甚至出現(xiàn)專利量減少的情況(2009年),但2010年開(kāi)始,專利數(shù)量又急劇增加,這種變化可能顯示在該時(shí)間曾經(jīng)出現(xiàn)了一個(gè)技術(shù)上的突破或者關(guān)鍵進(jìn)展。由此來(lái)看,GaN材料在未來(lái)幾年內(nèi)可能又會(huì)形成一次研究熱潮。 美國(guó)和日本在GaN的研究上起步較早。20世紀(jì)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(zhì)量GaN薄膜的技術(shù),隨后引發(fā)了GaN領(lǐng)域的研究熱潮,專利數(shù)量急劇增加;美國(guó)則比日本晚了5年左右,但隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新,美國(guó)與日本的差距逐漸減小,2010年美國(guó)的專利數(shù)量趕超了日本。中國(guó)和韓國(guó)均是20世紀(jì)90年代以后才有了專利申請(qǐng),由于此時(shí)技術(shù)上已經(jīng)突破了瓶頸,因此專利數(shù)量增長(zhǎng)較快,逐漸在國(guó)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(gè)國(guó)家手中,其專利數(shù)量占據(jù)了全球?qū)@偭康?0%之多,分別是日本(38%)、美國(guó)(21%)、中國(guó)(16%)、韓國(guó)(15%)。四大主要專利來(lái)源國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)均有不同程度的專利布局,日本在美國(guó)的專利申請(qǐng)比例高達(dá)34.5%(日本專利總量為9449項(xiàng)),美國(guó)在WO和日本的專利申請(qǐng)比例分別達(dá)到37.4%和24.9%(美國(guó)專利總量為5304項(xiàng)),韓國(guó)在美國(guó)的專利申請(qǐng)比例高達(dá)48.1%(韓國(guó)專利總量為3864項(xiàng))。中國(guó)在國(guó)外也有較多的專利布局,但比例與其他三個(gè)國(guó)家相差較遠(yuǎn)。氮化鎵專利技術(shù)領(lǐng)域布局分析 基于德溫特手工代碼(Manual Code,MC)的統(tǒng)計(jì),對(duì)氮化鎵專利涉及的器件類型和加工工藝進(jìn)行分析。1.器件類型 根據(jù)對(duì)MC的統(tǒng)計(jì),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(chǎng)效應(yīng)晶體管(field effect transistors,F(xiàn)ET)、激光二極管(laser diodes,LD)、二極管、太陽(yáng)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(dǎo)體器件加工方面涉及的主要技術(shù)有:電極、沉積方法、介電層、外延生長(zhǎng)、刻蝕、摻雜、歐姆接觸、封裝、退火等。其中沉積方法主要是化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD),共涉及一千余項(xiàng)專利,外延生長(zhǎng)大都用CVD方法。刻蝕工藝主要有光刻蝕、化學(xué)刻蝕、等離子刻蝕、離子束刻蝕等。歐姆接觸在金屬處理中應(yīng)用廣泛,實(shí)現(xiàn)的主要措施是在半導(dǎo)體表面層進(jìn)行高摻雜或者引入大量復(fù)合中心,所用方法主要是離子注入。核心技術(shù)1.氮化鎵專利熱點(diǎn)領(lǐng)域及核心技術(shù)分析 使用Thomson Innovation繪制了氮化鎵領(lǐng)域?qū)@貓D(圖2),可以看出,氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域主要是LED、FET、LD、太陽(yáng)能電池、功率器件等方面,LED和FET是熱點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域,其中FET的專利中主要是對(duì)HEMT(高電子遷移率晶體管)的研究。涉及的技術(shù)領(lǐng)域主要有半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)、歐姆接觸、封裝、刻蝕等,其中半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)是熱點(diǎn)研究領(lǐng)域,目前常用的方法是MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積),也稱MOVPE(金屬有機(jī)物氣相外延)。根據(jù)上文對(duì)德溫特手工代碼的分析,結(jié)合TI專利地圖以及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,氮化鎵核心技術(shù)主要涉及外延生長(zhǎng)、p型摻雜、歐姆接觸、刻蝕工藝等方面。2.氮化鎵領(lǐng)域高價(jià)值專利分析 采用Innography分析工具對(duì)專利價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià),TOP 10高價(jià)值專利中有8項(xiàng)是美國(guó)的科銳(Cree)公司所有,其余兩項(xiàng)分別是德國(guó)歐司朗(Osram)和日本日亞化學(xué)(Nichia)申請(qǐng),從涉及的技術(shù)領(lǐng)域看,大都是對(duì)LED器件的開(kāi)發(fā),其中科銳公司較多涉及白光LED的專利。對(duì)專利強(qiáng)度在9級(jí)以上的GaN專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)美國(guó)專利占59.3%,日本專利占16.3%,而我國(guó)僅占0.6%,可見(jiàn)我國(guó)仍需加強(qiáng)核心技術(shù)的研發(fā)和保護(hù)。重點(diǎn)機(jī)構(gòu)1.國(guó)際重點(diǎn)機(jī)構(gòu)研發(fā)實(shí)力分析 氮化鎵領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)量排名前15位的專利權(quán)人中,日本機(jī)構(gòu)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(xué)、羅姆;韓國(guó)共2家,分別是三星和LG;中國(guó)的中科院(第6位)和美國(guó)的加州大學(xué)(第15位)也進(jìn)入前15位。除中國(guó)和美國(guó)的專利權(quán)人為科研院所/高校外,其他TOP 15的專利權(quán)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(tuán)。TOP 15的機(jī)構(gòu)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(xué)、東芝、LG近三年的專利百分比都在20%以上。 對(duì)TOP 30專利權(quán)人進(jìn)行合作關(guān)系分析,發(fā)現(xiàn)日本各機(jī)構(gòu)之間的合作較多,其中日本住友集團(tuán)、豐田集團(tuán)和三菱集團(tuán)比較重視與其他機(jī)構(gòu)的合作。歐美的機(jī)構(gòu)中歐司朗與英飛凌有兩項(xiàng)專利合作,其他機(jī)構(gòu)合作關(guān)系并不密切。中科院與日本索尼公司有一項(xiàng)合作,臺(tái)灣地區(qū)的臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院分別與日本昭和、美國(guó)科銳以及臺(tái)灣Epistar有不同程度的合作。 從技術(shù)布局來(lái)看,除富士通專注于FET方面的專利布局外,其他機(jī)構(gòu)在LED領(lǐng)域的專利申請(qǐng)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(lǐng)域?qū)@麛?shù)量較多的機(jī)構(gòu)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(lǐng)域有較多的專利布局,在LD領(lǐng)域也有突出表現(xiàn),而韓國(guó)三星和LG則在此領(lǐng)域布局較少。在技術(shù)層面,各專利權(quán)人都比較重視在電極、沉積方法、介電層和外延生長(zhǎng)方面的研發(fā)。2.國(guó)內(nèi)重點(diǎn)研發(fā)機(jī)構(gòu) 在國(guó)內(nèi)專利數(shù)量TOP 10的專利權(quán)人里,公司和高校/科研機(jī)構(gòu)的數(shù)量相當(dāng)。從專利的涉及年份來(lái)看,中科院、北京大學(xué)、南京大學(xué)進(jìn)入該領(lǐng)域的時(shí)間較早(上世紀(jì)90年代中后期),而企業(yè)則相對(duì)較晚,但近幾年的研發(fā)都較為活躍。不同機(jī)構(gòu)從事的技術(shù)領(lǐng)域各有偏重,西安電子科技大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所主要研究領(lǐng)域?yàn)镕ET,其他8家機(jī)構(gòu)則偏重LED的研究。 中科院共有28個(gè)下屬科研機(jī)構(gòu)申請(qǐng)了氮化鎵專利,主要研究所有:半導(dǎo)體研究所、微電子研究所、蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、上海技術(shù)物理研究所等,其中半導(dǎo)體研究所的實(shí)力最為雄厚,專利數(shù)量為305項(xiàng)。主要結(jié)論 1.從20世紀(jì)60年代起就有GaN專利申請(qǐng),但發(fā)展十分緩慢,90年代后隨著材料生長(zhǎng)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(guó)、中國(guó)、韓國(guó)是主要技術(shù)來(lái)源國(guó),約占全球?qū)@偭?0%,中國(guó)進(jìn)入該領(lǐng)域時(shí)間較晚,但專利數(shù)量快速增長(zhǎng)。 3.GaN主要應(yīng)用在LED、FET和LD等領(lǐng)域,關(guān)鍵技術(shù)在于氮化鎵外延生長(zhǎng)、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(guó)科學(xué)院的專利數(shù)量在國(guó)際排名前列,美國(guó)Cree公司掌握了較多高價(jià)值專利。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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