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第三代半導(dǎo)體全球?qū)＠治?/p>
第三代半導(dǎo)體為近年新興的技術(shù)，主要聚焦于碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體新材料領(lǐng)域的突破性技術(shù)發(fā)展以及新材料器件研發(fā)。
基于行業(yè)發(fā)展需求，本文對第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專利狀況從全球整體態(tài)勢、碳化硅和氮化鎵關(guān)鍵技術(shù)、英飛凌和科銳等典型企業(yè)專利布局及運(yùn)用策略、美國政府資助項(xiàng)目知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)出機(jī)制等方面進(jìn)行研究。
20世紀(jì)初出現(xiàn)第三代半導(dǎo)體相關(guān)專利申請，大約在2000年以后，相關(guān)專利申請開始進(jìn)入快速增長階段。美國早期領(lǐng)銜全球?qū)＠鲩L，2010年前后我國的申請量首次超過美國。美國、日本、中國、韓國、德國等國家或地區(qū)相關(guān)專利申請量增長較快。
截至2018年9月30日，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)專利總量約為8.751萬件。碳化硅、氮化鎵、其他金屬氧化物三種主要材料申請數(shù)量較為接近；其中碳化硅材料功率半導(dǎo)體和器件工藝較為熱門，氮化鎵材料外延生長和光電子比重較大。
氮化鎵關(guān)鍵技術(shù)
氮化鎵具有大禁帶寬度、高電子飽和速率、高擊穿電場、較高熱導(dǎo)率、耐腐蝕以及抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，又與現(xiàn)有硅半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，在降低成本方面顯示更大的潛力。涉及氮化鎵器件制備的技術(shù)演進(jìn)主要從襯底技術(shù)、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等方面進(jìn)行分析。
在氮化物同質(zhì)襯底技術(shù)方面，三菱公司提出改進(jìn)品質(zhì)和厚度的GaN單晶制造法（公開號：JPH07165498A）和具有低位錯(cuò)密度的氮化鎵族晶體基底部及用途；LG公司則優(yōu)化了快速形成單晶GaN半導(dǎo)體襯底的方法（公開號：KR1019990001289A）；住友公司利用磨削將在表面上具有C面的氮化物半導(dǎo)體襯底的表面加工為面粗糙度Rms5nm～200nm（公開號：JP2005112641A）；索尼公司改進(jìn)了藍(lán)寶石襯底蝕刻方法（公開號：JPH1145892A）。
在氮化鎵器件結(jié)構(gòu)方面，日亞化學(xué)在氮化鎵基化合物半導(dǎo)體表面設(shè)置緩沖層以提高結(jié)晶度（公開號：JPH04297023A）；NEC公司使氮化鎵晶體薄膜具有形成條紋的掩模圖案（公開號：JP2000349338A）；科銳公司提出在天然氮化物晶種上由III－V族氮化物剛玉(坯料)高速氣相生長形成剛玉，可以得到用于制作微電子器件結(jié)構(gòu)的晶片（公開號：WO0168955A1）；科銳公司提出含有AlxGayInzN的高質(zhì)量晶片在于均方根表面粗糙度小于1nm（公開號：WO02101121A1）；住友公司提出包括低位錯(cuò)單晶區(qū)(Z)、C面生長區(qū)(Y)、龐大缺陷積聚區(qū)(H)和0.1/cm2至10/cm2的c軸粗大核區(qū)(F)低變形的氮化鎵晶體襯底（公開號：JP2003165799A）以及一種低缺陷晶體區(qū)和缺陷集中區(qū)從主表面延伸到位于主表面的反向側(cè)的后表面、面方向相對于主表面的法線矢量在偏斜角方向上傾斜的GaN襯底（公開號：JP2009152511A）；通用公司提出一種直徑至少約2.75毫米、位錯(cuò)密度低于約104cm-1并基本不含傾斜晶界的GaN單晶（公開號：WO2004061923A1）。
在氮化鎵器件制備設(shè)備技術(shù)上，波士頓大學(xué)設(shè)計(jì)一種通過外部磁鐵和/或出口孔徑控制原子氮物質(zhì)和離子氮物質(zhì)的量達(dá)到襯底外延生長系統(tǒng)（公開號：WO9622408A2）；理光公司改進(jìn)了一種制造塊狀晶體的GaN單晶襯底的堿反應(yīng)容器（公開號：JP2001058900A）；大阪產(chǎn)業(yè)振興機(jī)構(gòu)使用將含氮?dú)怏w通入反應(yīng)器中由此使得在熔劑中的第III族元素和氮互相反應(yīng)的、高產(chǎn)量地制備高質(zhì)量的、大的和整塊第III族元素氮化物單晶的設(shè)備（公開號：WO2004083498A1）。
在氮化鎵外延生長方面，基于同質(zhì)襯底生長，三星公司提出一種以高生長速率生長高質(zhì)量氮化鎵（GaN）膜的方法（公開號：KR1020000055374A）；住友公司提出氣相成長的成長表面(C面)不是平面狀態(tài)而形成具有三維的小面結(jié)構(gòu)單晶體GaN的結(jié)晶成長方法（公開號：JP2001102307A）；住友公司提出一種可以收取氧作為n型摻雜劑的氮化鎵單晶的成長方法（公開號：JP2002373864A）；法國國家科學(xué)研究中心提出通過在犧牲層上的異質(zhì)外延制造包含Ⅲ氮化物的自承基材的方法（公開號：WO2005031045A2）。
基于異質(zhì)襯底生長，北卡羅萊納州立大學(xué)提出氮化鎵層在藍(lán)寶石基體上的懸掛外延生長（公開號：WO0137327A1）；NEC和日立公司提出一種具有缺陷密度低、彎曲小的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法（公開號：JP2003178984A）；加州大學(xué)和獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)提出用于在斜切尖晶石襯底上生長平坦半極性氮化物薄膜的方法（公開號：JP2005522888A）；應(yīng)用材料公司提出具有高晶格失配的材料的異質(zhì)外延生長（公開號：WO2015167682A1）。
橫向生長技術(shù)上，豐田公司提出在底襯底上形成多個(gè)突起部并利用晶體橫向生長的習(xí)性生長半導(dǎo)體晶體層（公開號：WO02064864A1）；三星公司提出先在GaN襯底上形成凹凸部分，然后以快致橫向生長的GaN薄膜覆蓋垂直生長的GaN薄膜，在GaN襯底上形成GaN薄膜的方法（公開號：KR1020020080743A）。
在氣相沉積的改進(jìn)方面，技術(shù)與設(shè)備國際公司提出一種改性HVPE方法用于達(dá)到低缺陷密度（公開號：WO03006719A1）；應(yīng)用材料公司提出利用MOCVD及HVPE抑制在III-V氮化物薄膜生長中的寄生微粒（公開號：US20070259502A1）以及通過混合氣相外延工藝形成III-V族材料的方法（公開號：WO2009046261A1）；加州大學(xué)提出使用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積來生長諸如m–平面氮化鎵(GaN)磊晶層之平面、非極性m–平面III–氮化物材料的方法（公開號：WO2006130622A2）以及利用MOCVD生長的GaN薄膜平滑、高品質(zhì)薄膜的異質(zhì)磊晶生長方法（公開號：WO2008060349A2）和先使用MOCVD進(jìn)行第一生長，再使用不同生長方法進(jìn)行再生長的制造氮化物半導(dǎo)體器件的方法（公開號：WO2017011387）；三菱公司提出利用HVPE制造具有較高熱傳導(dǎo)率之GaN系材料的方法（公開號：WO2007119319A1）；東京電子提出用于使薄膜選擇性地沉積在露出有絕緣膜和導(dǎo)電膜的基底上的選擇性沉積方法（公開號：JP2018170409A）。
英飛凌專利布局及運(yùn)用策略
英飛凌前身為西門子集團(tuán)的半導(dǎo)體部門，目前是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司之一。英飛凌在氮化鎵和碳化硅材料的專利整體均呈現(xiàn)平穩(wěn)的增長，2011年開始該兩種材料領(lǐng)域的專利急速增長并在2015年達(dá)到頂峰，技術(shù)步入成熟期。
英飛凌專利布局區(qū)域主要集中在美、德、中、日。另外在歐洲亦有相當(dāng)數(shù)量的申請。剩下的申請則在韓國和澳大利亞。其中，英飛凌在美國和德國的專利數(shù)量尤為領(lǐng)先。在中國的專利數(shù)量也相當(dāng)可觀，排在美、德之后。
英飛凌技術(shù)分支專利布局情況，其技術(shù)分支主要為碳化硅單晶生長、碳化硅襯底加工、碳化硅外延生長、碳化硅器件工藝和碳化硅封裝，氮化鎵異質(zhì)襯底、氮化鎵同質(zhì)襯底、氮化鎵外延生長和氮化鎵芯片封裝。在全球范圍，其在碳化硅器件工藝、氮化鎵封裝和氮化鎵外延生長的申請量較高，分別為165件、101件和82件，在剩下幾個(gè)領(lǐng)域的申請量則較低，皆在40件以下。在中國，其在氮化鎵同質(zhì)襯底、氮化鎵封裝和碳化硅器件工藝領(lǐng)域的申請量稍高，為70件、58件和46件，其余領(lǐng)域的申請量較低。
英飛凌的專利運(yùn)營策略主要具有以下特點(diǎn)：
一是高度重視專利布局時(shí)機(jī)的把握。專利布局時(shí)機(jī)節(jié)奏感強(qiáng)，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度提前進(jìn)行階段性集中布局。在2004年和2015年左右出現(xiàn)兩個(gè)較為集中的布局高峰期，期間有近十年的時(shí)間處于布局低谷期，這說明英飛凌一般會在技術(shù)獲得重大突破后進(jìn)行專利布局，并會根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度進(jìn)行調(diào)整。
二是高度重視目標(biāo)市場專利布局，英飛凌專利布局的大本營是美國。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，從各個(gè)技術(shù)分支的主要布局的國家或地區(qū)看，英飛凌在美國的專利布局?jǐn)?shù)量都是最多的，一方面說明美國是極其重要的目標(biāo)市場，另一方面也說明英飛凌市場導(dǎo)向的布局原則非常明顯。
三是高度重視技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的布局引領(lǐng)作用。通過對英飛凌發(fā)明人團(tuán)隊(duì)的分析可以發(fā)現(xiàn)，碳化硅領(lǐng)域排名前十的發(fā)明人包攬了英飛凌幾乎80%的發(fā)明專利，這說明研發(fā)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者對專利申請具有非常重要的貢獻(xiàn)和引領(lǐng)作用，同時(shí)也說明英飛凌有較好的激勵(lì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行專利布局的激勵(lì)和管理機(jī)制。
四是高度重視技術(shù)研發(fā)合作和技術(shù)成果流動。英飛凌和上游下游廠商合作都很密切。通過轉(zhuǎn)讓數(shù)據(jù)可以看出，英飛凌向外轉(zhuǎn)讓的專利數(shù)量大于從外部獲得專利數(shù)量，說明英飛凌研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)，能夠?qū)ι舷掠螐S商形成有效的技術(shù)支撐，同時(shí)也非常重視從外部引用專利，完善自身產(chǎn)品的專利布局。
美國政府資助項(xiàng)目知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)出機(jī)制
自1987年美國政府以年預(yù)算補(bǔ)貼10億美元資助14家美國半導(dǎo)體企業(yè)組成Sematech聯(lián)盟以來，美國政府始終不遺余力地增加對半導(dǎo)體、人工智能等新興技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的投入，以期開創(chuàng)下一個(gè)十年乃至百年的領(lǐng)先。美國國家“電子復(fù)興計(jì)劃“（ERI）已公開的一部分內(nèi)容顯示，整個(gè)項(xiàng)目資金已經(jīng)達(dá)到22.5億美元，將專注于開發(fā)用于電子設(shè)備的新材料、將電子設(shè)備集成到復(fù)雜電路中的新體系結(jié)構(gòu)以及進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新。該計(jì)劃是為了補(bǔ)充之前致力于加速電子技術(shù)和電路及子系統(tǒng)的生產(chǎn)力增長和性能提升的“聯(lián)合大學(xué)微電子學(xué)計(jì)劃”（JUMP）。相對于JUMP，ERI更加實(shí)際，也更接近產(chǎn)業(yè)，預(yù)期的商業(yè)和國防利益將在2025年至2030年實(shí)現(xiàn)。
成立于1987年的科銳，1993年在美國納斯達(dá)克上市。上市前后科銳開始參與美國政府資助項(xiàng)目。從項(xiàng)目資助的來源看，海軍和空軍相關(guān)部門是科銳公司參與政府資助項(xiàng)目的主要來源，SDIO（戰(zhàn)略防御計(jì)劃組織）也對科銳公司進(jìn)行了項(xiàng)目資助。這一方面說明這兩個(gè)部門更看重碳化硅領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，另一方面也說明美國政府部門之間在同一技術(shù)領(lǐng)域的資助合作效率高，不會相互排斥。
從合同持續(xù)的時(shí)間來看，科銳公司持續(xù)10余年一直在碳化硅領(lǐng)域參與政府資助項(xiàng)目。這一方面說明科銳公司完成政府項(xiàng)目的質(zhì)量較好得到了持續(xù)的認(rèn)可，另一方面也說明美國政府資助項(xiàng)目在某一技術(shù)領(lǐng)域的資助可持續(xù)性比較好，能夠給資助項(xiàng)目的承包方較好的項(xiàng)目預(yù)期。
從合同承包方來看，科銳公司在大部分情況下都能獨(dú)立承擔(dān)政府資助項(xiàng)目，也有和ABB這樣的行業(yè)巨頭共同承擔(dān)項(xiàng)目合同的情況。這一方面說明科銳的技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新能力得到了同業(yè)巨頭的認(rèn)可，另一方面也說明美國政府資助項(xiàng)目發(fā)包機(jī)制比較靈活，可以根據(jù)具體事項(xiàng)采用獨(dú)家承擔(dān)或者多家合作承擔(dān)，同時(shí)項(xiàng)目管理能力較高。
從合同發(fā)布的間隔時(shí)間來看，有近10年的中斷間隔，在特定的年份會加大項(xiàng)目，例如2004年累計(jì)發(fā)布4個(gè)項(xiàng)目。說明美國政府資助項(xiàng)目的管理方對資助資源也有嚴(yán)格的風(fēng)險(xiǎn)評估機(jī)制，在條件不成熟的情況下，會果斷暫時(shí)擱置資助項(xiàng)目，在條件成熟時(shí)，會果斷加大資助力度，促成關(guān)鍵技術(shù)突破，助推其盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
從各個(gè)合同產(chǎn)出的專利數(shù)量看，出于推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目的，每一個(gè)合同項(xiàng)目基本都會有專利產(chǎn)出。在具體的數(shù)量上，美國政府資助項(xiàng)目并未機(jī)械地制定專利產(chǎn)出具體指標(biāo)，而是通過設(shè)定可專利的技術(shù)創(chuàng)新成果的評價(jià)機(jī)制，合理把控技術(shù)秘密和專利的邊界，實(shí)現(xiàn)資助項(xiàng)目長期價(jià)值最大化。
從各個(gè)合同產(chǎn)出的專利的時(shí)間看，一般每個(gè)合同項(xiàng)目在項(xiàng)目結(jié)束后都會有專利產(chǎn)出，短則一年長則三年，專利產(chǎn)出的持續(xù)時(shí)間較長。結(jié)合合同里知識產(chǎn)權(quán)條款可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)合同的專利產(chǎn)出機(jī)制主要是通過責(zé)任義務(wù)和權(quán)利分享機(jī)制來積極推動專利的產(chǎn)出和產(chǎn)業(yè)化。（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利分析普及推廣項(xiàng)目第三代半導(dǎo)體課題組）