中美第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)對比?
中美第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)對比
來源：今日半導(dǎo)體
相較于第一代和第二代，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)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(wǎng)、消費(fèi)類電子等多個重點領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
在美國對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)封鎖持續(xù)升級的大環(huán)境下，中美雙方對第三代半導(dǎo)體材料的專利布局均十分重視。由于該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展仍處于產(chǎn)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(dǎo)體材料有望成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突圍先鋒。
隨著全球貿(mào)易摩擦的持續(xù)，半導(dǎo)體作為信息產(chǎn)業(yè)的基石，成為了科技強(qiáng)國技術(shù)創(chuàng)新的必爭之地。
一 中美半導(dǎo)體行業(yè)整體情況對比
①從發(fā)展歷程來看，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)21世紀(jì)才真正起步，較美國晚了50多年。
圖1 中美半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程對比
資料來源：IC insight 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
②從半導(dǎo)體企業(yè)銷售額來看，2020年，半導(dǎo)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(dǎo)體行業(yè)營收各國占比
資料來源：SIA《2020年美國半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀》
③從未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢來看，雖然中美產(chǎn)業(yè)差距仍然存在，但機(jī)遇并存。第三代半導(dǎo)體材料將成為中國逆勢翻盤的機(jī)會。
半導(dǎo)體材料發(fā)展至今經(jīng)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(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)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(wǎng)、消費(fèi)類電子等多個重點領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在美國對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)封鎖持續(xù)升級的大環(huán)境下，中美雙方對第三代半導(dǎo)體材料的專利布局均十分重視。由于該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展仍處于產(chǎn)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(dǎo)體材料有望成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突圍先鋒。
二 中美第三代半導(dǎo)體材料專利對比分析
由于碳化硅及氮化鎵為第三代半導(dǎo)體材料中的主要材料，可基本代表第三代半導(dǎo)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(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)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(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)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(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)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(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)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(shù)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(guān)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(dá)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(dǎo)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(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域，中美兩國技術(shù)研究方向十分相似，在專利申請量排名前10的技術(shù)大組中，中美兩國在9個技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了重合。而在技術(shù)研發(fā)熱點及創(chuàng)新活躍度上存在細(xì)微差異。
圖5 中國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體相關(guān)專利IPC技術(shù)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(lǐng)域，其次為H01L33領(lǐng)域，從創(chuàng)新活躍度來看，C30B29和C30B25領(lǐng)域是當(dāng)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(dǎo)體相關(guān)專利IPC技術(shù)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(shù)創(chuàng)新活躍度均不及中國，近5年申請量最高僅184項，技術(shù)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(lǐng)域，與中國情況較為一致。除此之外，中國和美國在H01L25和H01S5領(lǐng)域布局的專利分別進(jìn)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(dāng)前雙方的差異點。
4. 重點申請人對比分析
在相關(guān)專利技術(shù)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(jī)器公司（111項）為申請人top3。加州大學(xué)以及北卡羅來納州立大學(xué)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(dǎo)體相關(guān)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(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域仍處于研發(fā)階段，距離實際落地應(yīng)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(tuán)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(dǎo)體相關(guān)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(dǎo)體相關(guān)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(jìn)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(lǐng)域?qū)＠暾埓嬖诹看筚|(zhì)低的問題。
圖9 中美兩國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體相關(guān)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(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)活動及政策
日期 | 相關(guān)活動與政策 |
2021年8月 | 8月14日，工信部宣布將碳化硅(SiC)復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等納入“十四五”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃。 |
2021年5月 | 國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會議召開，會上討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。 |
2021年3月 | 新華網(wǎng)刊登了《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，其中“集成電路”領(lǐng)域，特別提出碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體即第三代半導(dǎo)體要取得發(fā)展。 |
2020年7月 | 國務(wù)院發(fā)文《新時期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》中指出，國家鼓勵集成電路企業(yè)，自獲利年度起，第一年至第二年免征企業(yè)所得稅，第三年至第五年按照25%的法定稅率或減半征收企業(yè)所得稅。 |
2019年12月 | 國務(wù)院在《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確要求加快培育布局第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。 |
2019年11月 | 工信部印發(fā)《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》，其中GaN單晶襯底、功率器件用GaN外延片、SiC外延片，SiC單晶襯底等第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品進(jìn)入目錄。 |
2019年6月 | 商務(wù)部及發(fā)改委在鼓勵外商投資名單中增加了支持引進(jìn)SiC超細(xì)粉體外商企業(yè)。 |
2016年7月 | 國務(wù)院推出了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》，其中首次提到要加快第三代半導(dǎo)體芯片技術(shù)與器件的研發(fā)。 |
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(shù)發(fā)展方向也與美國較為一致，在H01L21和H01L29等技術(shù)領(lǐng)域中擁有高于美國的研究熱度。但同時存在專利質(zhì)量偏低的問題，后期在國家政策的大力推動下，應(yīng)注意彌補(bǔ)這一明顯劣勢。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是中美科技與經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)中的重要“戰(zhàn)場”，第三代半導(dǎo)體正處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，國際巨頭還未形成專利、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模的完全壟斷。我國在市場和應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)體發(fā)展相關(guān)的支持政策，在新能源汽車、5G通訊、快充等新興應(yīng)用的推動之下，第三代半導(dǎo)體已呈現(xiàn)出明顯的爆發(fā)趨勢。未來，隨著政策、技術(shù)、產(chǎn)品、企業(yè)等要素的投入，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將迎來高速發(fā)展，有機(jī)會實現(xiàn)核心技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略引領(lǐng)，重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局。
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