基于专利数据的GaN晶体管技术分析.pdf

2023 年 7 月图 1 GaN 晶体管全球专利申请量176358216232179235 231409618719 716630694880 8638368176754061 0009008007006005004003002001000年份基于专利数据的晶体管技术分析姜丽袁侯雪（国家知识产权局专利局，北京 100088）【摘要】梳理和统计 GaN 晶体管领域的全球专利申请情况袁通过数据全面系统地分析该领域国内外专利布局情况和重点专利袁并对比分析中美重点申请人的专利申请情形袁有利于国内科研院所和企业掌握全球范围内 GaN 晶体管领域的专利布局袁了解重点企业的技术研发趋势袁对国内外的专利申请和全球布局有一定的借鉴和指导意义遥【关键词】氮化镓曰晶体管曰专利申请曰专利布局【中图分类号】G306【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）07-0124-030 引言近年来，第 3 代半导体逐渐兴起，其中主要包括SiC、GaN 等宽禁带半导体材料，其在高频状态下仍可维持优异的效能和稳定度，特别适合应用于高频、高温、高压场景，因此在新能源汽车、5G 通信、物联网、人工智能大数据、轨道交通等领域得到了广泛的关注和应用1-3。而第 3 代半导体器件中的功率器件也是近年来电力电子技术领域中的研究热点。相较于传统的硅器件，第 3 代半导体功率器件可以有效提升电力电子系统的变换效率和功率密度，缩小装备体积，是助力社会节能减排并实现碳中和目标的重要支撑。由 GaN 制成的功率器件，如 GaN 场效应晶体管（field effect transistor,FET）或 GaN 高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,HEMT），具有击穿电压较低、阈值电压较小、栅极电荷 Qg较小等特性4，可有效减低开关损耗，达到更高的转换效率，因此 GaN 功率器件更适合高频应用场景。目前 GaN功率器件主要应用于电源适配器、车载充电、数据中心等领域，逐渐成为 5G 基站电源的最佳选择。AlGaN/GaN HEMT 为三端电压控制型器件，具有源极、栅极、漏极 3 个电极，在漏极电压的作用下，电子从源极进入未掺杂的 GaN 沟道层，与二维电子气接通形成载流子通道，电子从源极向漏极流动。同时在栅极电压的调制作用下，通过控制异质结势阱深度，控制二维电子气的面密度，从而改变器件的开启和关断状态5。GaN 晶体管在性能和成本方面极具优势，因此有望在未来代替金氧半场效晶体管（metal谣oxide谣semiconductor field effect transistor,MOSFET），成为电力电子功率器件的主要趋势。1 全球专利申请趋势GaN 晶体管的全球专利申请量呈现波动上升的趋势（图 1），在 2012 年后进入快速增长期，维持一段稳步发展的态势后于 2020 年开始有所回落，但目前来看仍是众多企业大厂专利布局的焦点领域。从图 2 可以看出，美国、中国（不含中国台湾，下同）和日本是主要的技术原创国，美国的专利申请量高居第 1，这与美国在 GaN 晶体管领域的市场领先地位相符，中国的专利申请量以较小的差距位列第 2，其后是日本、世界知识产权组织和欧洲专利局，与当前的国际市场分布相符。美国的专利申请量在 2014 年之前一直处于绝对的领先地位，2014 年之后中国的专利申请量开始呈波动性增长，并在 2017 年之后彻底反超美国，表明随着中国市场的快速扩大，中国开始关注 GaN 晶体管的研究。目前中国已经是全球最大的市场，由于第三代半导体材料于 21 世纪初开始产业化应用，中国仍有追赶和超车的机会。GaN 晶体管主要技术国专利申请量如图 2 所示。2 全球申请人排名GaN 晶体管全球专利申请前 10 名申请人如图 3所示。其中申请量最多的是美国 CREE 公司，该公司专题综述1242023 年 7 月图 2 GaN 晶体管主要技术国专利申请量2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022050100150200250300350400美国中国日本世界知识产权组织欧洲专利局（EPO）年份是全球第三代半导体的龙头企业，在衬底和外延领域都有着绝对的领军优势，且在基于 SiC 衬底的GaN 具有较强的技术优势。排名第 3 至第 5 的是功率半导体芯片的巨头公司英飞凌和德州仪器，以及 IC 芯片公司英特尔。排名第八的 HRL 是美国一家主要面向毫米波中高频段基于 InP GaN 的芯片公司，在 GaN 晶体管的专利申请上具有一定的话语权。前 10 名申请人中中国占了 4 名，全部都是高校和科研院所，其在 GaN 晶体管专利申请的技术分支主要集中在 GaN 晶体管的下游应用上，上游设计较少，原因是中国的芯片设计基础薄弱，发展历史短，因此在上游设计上存在短板。从全球申请量的前 10 名申请人来看，中国在以发达国家为申请主体的 GaN 晶体管专利申请中能占据一席之地，可见中国在该领域有望实现弯道超车。3 中美申请人排名图 4 为 GaN 晶体管中国专利申请前 10 位申请人。其中除了英飞凌之外都是中国申请人。英飞凌持续深耕功率器件领域，且非常重视中国市场，其前身为西门子集团的半导体部门，主要生产绝缘栅双极晶体管、MOSFET、HEMT、DC谣DC 转换器、栅极驱动IC 芯片、AC谣DC 电源转换器等功率半导体器件，曾连续 10 年居全球功率半导体市场之首。目前英飞凌在功率模块、GaN FET 器件上布局的专利最多。中国申请人集中在高校和科研院所，表明中国当前 GaN FET 的技术来源比较单一，西安电子科技大学的 GaN 专利申请数量排在首位，该校郝跃院士团队所在的宽禁带半导体重点实验室在 GaN 毫米波功率器件等领域取得系列重要进展，也体现了该校在 GaN 功率器件领域强劲的研发实力。中国企业中上榜的只有成都海威华芯科技有限公司（简称海威华芯），其是海特高新的子公司，是国内首家提供 6 寸 GaAs/GaN 单片微波集成电路纯晶圆代工服务的制造企业。值得关注的是，美国众多半导体大厂在中国的 GaN 晶体管专利申请数量较少，可见其比较注重专利布局，技术密集型的专利几乎都只在本土申请专利，在中国的申请专利数量远少于其在本国的申请数量。图 5 为 GaN 晶体管美国专利申请前 10 申请人。其中大部分都是美国企业，体现了美国在半导体领域的强势地位。中国台湾的台湾积体电路制造股份有限公司（简称台积电）和联华电子股份有限公司也在榜上，且台积电在美国的专利申请量排名很靠前，可见其在 GaN FET 领域积极地进行专利布局。4 中美申请人专利申请4.1 美国 CREE 公司分析全球申请中申请量排名第一的申请人美国CREE 公司的专利申请情况可知，该公司过去 30 年北京大学中国电子科技集团公司第十三研究所英飞凌科技奥地利有限公司杭州电子科技大学成都海威华芯科技有限公司中国科学院微电子研究所华南理工大学电子科技大学中国电子科技集团公司第五十五研究所西安电子科技大学44476163648198108108211专利数量/件050100150200250图 4 GaN 晶体管中国专利申请前 10 位申请人专题综述CREE INC西安电子科技大学INFINEON TECHNOLOGIES AUSTRITEXAS INSTRUMENTS INCORPORATEDINTEL CORPORATION中国电子科技集团公司第五十五研究所电子科技大学HRL LABORATORIES LLC华南理工大学ROHM CO LTD专利数量/件3252111711441281081081009892050100150200250300350图 3 GaN 晶体管全球专利申请前 10 名申请人1252023 年 7 月在宽禁带半导体技术、应用、资产和市场积累方面的资本雄厚，于 1998 年开发首个 SiC 基 GaN HEMT 器件，并于 2001 年获得首个有关 GaN HEMT 器件的授权专利 US6316793B1。该专利及其同族在全球被引用 745 次，专利价值较高。该专利技术方案要求保护一种 HEMT，包括一个半绝缘碳化基底 11，在基底上是 AlN 缓冲层 12，在缓冲层上面是绝缘的 GaN 层13，GaN 层上是活性 AlGaN 结构 14，其上是钝化层23，以及至 AlGaN 结构的源极、漏极和栅极接点，大大增强了晶体管的性能。CREE 公司 19992022 年有关 GaN 晶体管的专利申请量如图 6 所示。该公司起步较早，因此在专利布局的时间上比较靠前，并在 2000 年以后迎来申请量的快速增长期，2007 年之后有关 GaN 晶体管的专利申请量有所滑落，2015 年之后数量逐渐减少。2019 年 CREE 公司彻底脱离 LED 和照明行业，改名为 Wolfspeed，其业务集中于功率器件和射频器件、SiC 和 GaN 材料。4.2 海威华芯以中国专利申请中申请量最多的企业海威华芯为例，其成立于 2010 年，于 2015 年在中国建成了6 寸 GaAs/GaN 半导体集成电路芯片军民两用商业化生产线，2015 年被列入中央预算内投资项目。海威华芯最早有关 GaN HEMT 的专利申请是CN105226093B，该专利为一种 GaN HEMT 器件，包括由下而上依次形成的衬底、AlN 成核层、GaN 沟道层、AlN 隔离层、AlXGa1谣XN 肖特基势垒层和 GaN 帽层。该专利能适当减少 AlXGa1谣XN 中 X 的含量，提高二维电子气的浓度和改善器件高频特性。海威华芯的 GaN 晶体管申请从 2015 年开始，并在 2017 年数量激增，而在 20192021 年没有相关申请，这也与半导体产业研发周期长、成果产出较慢有关，如图 7 所示。目前，海威华芯的化合物半导体生产线已趋于成熟，正从技术能力建设向市场方向转化，有望成为中国在 GaN 晶体管领域的一匹黑马。5 结语（1）国际市场上仍以中国、美国、日本为 GaN 晶体管热点布局市场，美国、日本起步早，目前占据主导地位，但中国后起发力强劲，增长潜力巨大，且作为全球最大的市场，仍是各国专利布局的重点关注地。（2）中国对于 GaN 晶体管的研究起步晚但增速快，目前仍属于高速发展期，部分高校在 GaN 晶体管领域研发实力突出，可以考虑和相关龙头企业加强合作，在 GaN 晶体管领域抢占空白高地，争夺市场地位。参考文献1 蔡蔚，孙东阳，周铭浩，等.第三代宽禁带功率半导体及应用发展现状J.科技导报，2021，39（14）：42-55.2 李秾，金言，袁芳，等.第三代半导体器件专利分析J.情报工程，2019，5（4）：114-126.3 郝跃.宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展J.科技导报，2019，37（3）：58-614 唐林江，陈滔，张宝林，等.GaN 基半导体技术的空间应用研究与展望J.空间电子技术，2018，15（2）：60-67.5 王泽宇.Si 基 GaN HEMT 器件高温可靠性研究D援西安：西安电子科技大学，2022.作者简介院姜丽（1990），女，汉族，江苏扬州人，硕士研究生，研究方向为电力电子领域专利审查。侯雪（1987），女，汉族，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，研究方向为电力系统领域专利审查。图 6 CREE 公司 1999要2022 年有关 GaN 晶体管的专利申请量421542213238421015752041122070511260年份454035302520151050图 7 海威华芯的 GaN 晶体管专利申请量353025201510500006300012331年份140图 5 GaN 晶体管美国专利申请前 10 名申请人专利数量/件020100120KABUSHIKI KAISHA TOSHIBACREE INCUNITED MICROELECTRONICS CORPSAMSUNG ELECTRONICS CO LTDSEMICONDUCTOR COMPONENTS INDUSTRIES LLCHRL LABORATORIES LLCINTEL CORPORATIONTAIWAN SEMICONDUCTOR MANUFACTURING CO LTDINFINEON TECHNOLOGIES AUSTRIA AGTEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED4242434655576988116130406080专题综述126