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中美第三代半導體材料技術對比

來源：今日半導體

       相較于第一代和第二代，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性，可在新能源汽車、高速軌道交通、5G通信、光伏并網、消費類電子等多個重點領域廣泛應用。

       在美國對我國半導體產業(yè)技術封鎖持續(xù)升級的大環(huán)境下，中美雙方對第三代半導體材料的專利布局均十分重視。由于該領域技術發(fā)展仍處于產業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，中美差距相對不大，因此第三代半導體材料有望成為我國半導體產業(yè)的突圍先鋒。

       隨著全球貿易摩擦的持續(xù)，半導體作為信息產業(yè)的基石，成為了科技強國技術創(chuàng)新的必爭之地。

      一 中美半導體行業(yè)整體情況對比

     ①從發(fā)展歷程來看，中國半導體產業(yè)21世紀才真正起步，較美國晚了50多年。

      圖1  中美半導體產業(yè)發(fā)展歷程對比

       資料來源：IC insight 前瞻產業(yè)研究院

       ②從半導體企業(yè)銷售額來看，2020年，半導體行業(yè)4123億美元的全球營收中，美國公司占據(jù)47%，而中國大陸的公司只占5%，中美差距依然非常明顯。

       圖2  2020年全球半導體行業(yè)營收各國占比

    資料來源：SIA《2020年美國半導體行業(yè)現(xiàn)狀》

       ③從未來產業(yè)發(fā)展趨勢來看，雖然中美產業(yè)差距仍然存在，但機遇并存。第三代半導體材料將成為中國逆勢翻盤的機會。

       半導體材料發(fā)展至今經歷了3個階段，第一代以硅為代表，第二代以砷化鎵為代表，第三代則以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）和金剛石為四大代表，其中又以SiC和GaN為主。

       相較于第一代和第二代，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性，可在新能源汽車、高速軌道交通、5G通信、光伏并網、消費類電子等多個重點領域廣泛應用。在美國對我國半導體產業(yè)技術封鎖持續(xù)升級的大環(huán)境下，中美雙方對第三代半導體材料的專利布局均十分重視。由于該領域技術發(fā)展仍處于產業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，中美差距相對不大，因此第三代半導體材料有望成為我國半導體產業(yè)的突圍先鋒。

       二 中美第三代半導體材料專利對比分析

       由于碳化硅及氮化鎵為第三代半導體材料中的主要材料，可基本代表第三代半導體材料的發(fā)展情況，因此本節(jié)將圍繞涉及兩種材料的半導體領域相關專利對中美情況開展對比分析，以識別中美雙方具化差異。

       1. 總量對比分析

       圖3 中美兩國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體領域相關專利總量 （項）對比圖

數(shù)據(jù)來源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       全球涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體領域相關專利共計23738項。我國共布局專利5232項，專利申請總量略占優(yōu)勢，美國稍遜一籌，布局專利2772項。

       2. 專利年度申請趨勢對比分析

       圖4  中美兩國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體領域相關專利年度申請量（項）趨勢對比圖

數(shù)據(jù)來源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       美國專利布局雖早于中國近20年，但在2001年之前，該技術年申請量持續(xù)低于100項，2001年后年申請量保持在百項左右的水平，近10年發(fā)展態(tài)勢較為平緩穩(wěn)定；中國相關專利于1985年最先提出，專利年申請量在2008年之后呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，并于2009年超過美國，在2019年更是達到了709項的峰值，這種發(fā)展態(tài)勢體現(xiàn)了中國近十年對第三代半導體主要材料的高度重視，也在一定程度上展示了與美國一較長短的實力。

       3. IPC分類對比分析

       在涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關領域，中美兩國技術研究方向十分相似，在專利申請量排名前10的技術大組中，中美兩國在9個技術領域發(fā)生了重合。而在技術研發(fā)熱點及創(chuàng)新活躍度上存在細微差異。

       圖5  中國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利IPC技術分布及創(chuàng)新活躍度

數(shù)據(jù)來源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       近五年來，中國研發(fā)勢頭迅猛，專利布局集中于H01L21和H01L29領域，其次為H01L33領域，從創(chuàng)新活躍度來看，C30B29和C30B25領域是當前中國的研發(fā)新熱點。

       圖6  美國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利IPC技術分布及創(chuàng)新活躍度

數(shù)據(jù)來源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       美國近幾年的專利申請數(shù)量以及技術創(chuàng)新活躍度均不及中國，近5年申請量最高僅184項，技術活躍度最高僅50%。從近5年專利布局情況來看，布局集中于H01L21和H01L29領域，與中國情況較為一致。除此之外，中國和美國在H01L25和H01S5領域布局的專利分別進入了自己的榜單中，但并未出現(xiàn)在對方的榜單之中，這也為當前雙方的差異點。

       4. 重點申請人對比分析

       在相關專利技術中，美國重點申請人中80%為企業(yè)，其中克里公司（299項）、通用電氣（132項）以及國際商業(yè)機器公司（111項）為申請人top3。加州大學以及北卡羅來納州立大學為入圍申請人top10的兩所高校。

       圖7  美國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利重點申請人top10

數(shù)據(jù)來源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       在中國重點申請人top10中，60%的創(chuàng)新主體為高校及科研院所，這在一定程度上說明國內該技術領域仍處于研發(fā)階段，距離實際落地應用還有一定的距離。上榜企業(yè)較少，僅有4家，分別為華燦光電、深圳方正微電子、北大方正集團以及三安集成電路。其中華燦光電共布局專利212項，僅略低于美國重點申請人榜首的克里公司。

       圖8  中國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利重點申請人top10

數(shù)據(jù)來源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       5. 專利布局分析

       美國對涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利的對外布局十分重視，超90%的專利擁有2個以上同族，同族數(shù)最高超過18。而中國85%的專利僅在本土申請，未進行對外布局，這不僅體現(xiàn)了我國專利對外布局意識的薄弱，還在一定程度上說明了該領域專利申請存在量大質低的問題。

       圖9 中美兩國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利同族數(shù)分布

數(shù)據(jù)來源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       6. 未來前景分析

       表1 近五年中國第三代半導體領域相關活動及政策

       根據(jù)專利對比分析可以發(fā)現(xiàn)，中國在專利申請總量、申請態(tài)勢及創(chuàng)新活躍度上具有明顯優(yōu)勢。且技術發(fā)展方向也與美國較為一致，在H01L21和H01L29等技術領域中擁有高于美國的研究熱度。但同時存在專利質量偏低的問題，后期在國家政策的大力推動下，應注意彌補這一明顯劣勢。

       半導體產業(yè)是中美科技與經濟戰(zhàn)中的重要“戰(zhàn)場”，第三代半導體正處于產業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，國際巨頭還未形成專利、標準和規(guī)模的完全壟斷。我國在市場和應用領域有戰(zhàn)略優(yōu)勢，從2016年開始，政府不斷出臺與第三代半導體發(fā)展相關的支持政策，在新能源汽車、5G通訊、快充等新興應用的推動之下，第三代半導體已呈現(xiàn)出明顯的爆發(fā)趨勢。未來，隨著政策、技術、產品、企業(yè)等要素的投入，我國第三代半導體產業(yè)將迎來高速發(fā)展，有機會實現(xiàn)核心技術突破和產業(yè)戰(zhàn)略引領，重塑全球半導體產業(yè)格局。

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