基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵路徑的專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)研究

潘微微，菅利榮，劉 濤

(1.南京航空航天大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十五研究所，江蘇 南京 210016)

0 引言

實(shí)證研究表明，專利信息包含著全球90%～95%的科技信息[1]，若專利知識(shí)得到有效利用，可節(jié)省40%～60%的時(shí)間和精力，而實(shí)際情況是，蘊(yùn)含著海量知識(shí)的專利卻未被充分利用。專利作為技術(shù)和知識(shí)的重要載體，已成為研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)創(chuàng)新過程中必須借鑒的重要信息源。專利文獻(xiàn)記載著技術(shù)創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、流程創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新的核心內(nèi)容，呈現(xiàn)了技術(shù)不同時(shí)期研發(fā)狀況，是判斷產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新態(tài)勢(shì)的重要指標(biāo)[2]，也是衡量技術(shù)演進(jìn)的重要指標(biāo)[3]。知識(shí)和技術(shù)溢出是集群演化的關(guān)鍵因素[4]，整個(gè)技術(shù)擴(kuò)散過程亦通過專利引文網(wǎng)絡(luò)更加清晰地展示出來[5]，反映了產(chǎn)業(yè)技術(shù)演進(jìn)過程，有助于梳理技術(shù)發(fā)展歷程和預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)技術(shù)演進(jìn)的討論，將每一個(gè)專利看作一個(gè)知識(shí)的載體，通過對(duì)知識(shí)載體傳承的引證網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，識(shí)別出關(guān)鍵路徑和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是技術(shù)演進(jìn)研究的重要內(nèi)容。學(xué)者們對(duì)專利集群網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量理論和實(shí)證研究，驗(yàn)證了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵路徑對(duì)技術(shù)演進(jìn)及網(wǎng)絡(luò)演化的重要性，但目前缺乏針對(duì)專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵路徑節(jié)點(diǎn)比較分析和可視化呈現(xiàn)的研究。

本文綜合利用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵路徑研究技術(shù)演進(jìn)特征，依據(jù)專利數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)量變化特征劃分技術(shù)生命周期，構(gòu)建每一階段專利集群網(wǎng)絡(luò)并加以可視化呈現(xiàn)?；谒阉髀窂焦?jié)點(diǎn)對(duì)(search path node pair，SPNP)方法識(shí)別專利集群網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵路徑，對(duì)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)不同階段關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵路徑中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較分析，從核心專利和關(guān)鍵路徑兩個(gè)層面，更全面地展現(xiàn)技術(shù)演進(jìn)過程和特征。

本文選取碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管(silicon-carbide Schottky barrier diode，SiC-SBD)專利為實(shí)證數(shù)據(jù)。碳化硅(Silicon carbide，SiC)作為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，是制造耐高壓、耐高溫、高頻工作、大功率半導(dǎo)體器件的理想材料，碳化硅半導(dǎo)體器件在軍事國(guó)防、電動(dòng)汽車、高速鐵路、艦船驅(qū)動(dòng)、光伏和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用前景，碳化硅半導(dǎo)體器件的技術(shù)創(chuàng)新與突破、持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)以及全面推廣已成為我國(guó)亟待開展并不斷深化的工作。SiC-SBD作為一款發(fā)展較早、日趨成熟并成功商業(yè)化應(yīng)用的典型產(chǎn)品，專利集群網(wǎng)絡(luò)生命周期特征顯著，研究SiC-SBD集群網(wǎng)絡(luò)和演進(jìn)規(guī)律，為專利集群網(wǎng)絡(luò)分析提供一個(gè)案例和框架；同時(shí)，通過專利集群網(wǎng)絡(luò)識(shí)別核心技術(shù)，為我國(guó)政府、高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)了解該領(lǐng)域前沿技術(shù)、制定研發(fā)計(jì)劃、開展專利申請(qǐng)等提供決策依據(jù)。

1 文獻(xiàn)綜述

在專利集群網(wǎng)絡(luò)中，存在著起點(diǎn)、終點(diǎn)、中介點(diǎn)和孤立點(diǎn)。中介中心性(Betweenness Centrality)在識(shí)別媒介角色中最早被提出，廣泛應(yīng)用在組織績(jī)效評(píng)價(jià)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析、論文質(zhì)量分析、網(wǎng)站影響力評(píng)價(jià)等方面[6]。如果沒有中介節(jié)點(diǎn)連接，當(dāng)新技術(shù)和新知識(shí)出現(xiàn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)洞并形成一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的小網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致知識(shí)傳播和技術(shù)傳承受阻。而處在結(jié)構(gòu)洞連接位置的節(jié)點(diǎn)，能夠通過信息過濾獲得更多競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新能力[7]，通常該節(jié)點(diǎn)揭示巨大的知識(shí)傳播潛力或令人非常感興趣的工作。如陳超美等[8]開發(fā)的文本挖掘與可視化軟件Citespace，使用節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的中介中心度來測(cè)度結(jié)構(gòu)洞和轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并針對(duì)高中介中心度節(jié)點(diǎn)在知識(shí)圖譜中的作用作出分析和解釋；Wang等[9]發(fā)現(xiàn)專利引用網(wǎng)絡(luò)中介中心性與未來專利引用量、專利維持年限具有因果關(guān)系，能夠預(yù)測(cè)專利質(zhì)量；Hung & Wang[10]在研究無線電識(shí)別網(wǎng)絡(luò)(FRID)的網(wǎng)絡(luò)特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，81%的專利網(wǎng)絡(luò)鏈接與少數(shù)高中介中心度節(jié)點(diǎn)相關(guān)；Hochull Choe等[11]研究太陽能電池技術(shù)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)發(fā)現(xiàn)，具有高中介中心度的組織位于網(wǎng)絡(luò)中心并引領(lǐng)技術(shù)知識(shí)流動(dòng)；Wang等[12]通過美國(guó)專利商標(biāo)局?jǐn)?shù)據(jù)庫(USPTO)檢索聯(lián)合專利分類以探討納米技術(shù)演進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，納米技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與高中介中心度專利發(fā)展趨勢(shì)具有相關(guān)性；Abbasi等[13]在研究作者合作網(wǎng)絡(luò)中3種中心性對(duì)潛在合作者吸引力時(shí)發(fā)現(xiàn)，新進(jìn)入作者更傾向于與高中介中心度作者合作，協(xié)作網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，高中介中心度作者的合作關(guān)系越來越多，地位也變得越來越重要；Ju & Sohn[14]基于文本和數(shù)據(jù)挖掘的稀土元素專利模式，用中介中心性表示技術(shù)轉(zhuǎn)折以及劃分技術(shù)集群；Hou等[15]在研究多層次科學(xué)研究合作網(wǎng)絡(luò)時(shí)發(fā)現(xiàn)，中介中心性曲線服從Zifp-Pareto分布；Liu等[16]研究納米技術(shù)合作網(wǎng)絡(luò)時(shí)發(fā)現(xiàn)，高中介中心度節(jié)點(diǎn)代表著具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的大型組織，其發(fā)揮了重要中介作用，并吸引更多組織進(jìn)行合作。Innography平臺(tái)測(cè)度專利強(qiáng)度參考了十余個(gè)相關(guān)指標(biāo)，如專利被引頻次指標(biāo)、同族專利大小、權(quán)利要求數(shù)量指標(biāo)、專利申請(qǐng)時(shí)程、專利年齡、專利訴訟等，常被用作識(shí)別核心專利并分析專利價(jià)值，但其指標(biāo)間權(quán)重確定具有一定主觀性，專利檢索式構(gòu)建比較麻煩且需要專業(yè)分析。通過專利集群網(wǎng)絡(luò)研究技術(shù)演進(jìn)，當(dāng)技術(shù)路徑出現(xiàn)分支，下一階段技術(shù)如何發(fā)展，需要通過中介節(jié)點(diǎn)加以判斷，識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中高中介中心度節(jié)點(diǎn)具有重要意義。

Hummon&Doreain[17]在關(guān)于關(guān)鍵路徑的應(yīng)用研究中，提出路徑連接統(tǒng)計(jì)值(search path link count，SPLC)、搜索路徑節(jié)點(diǎn)對(duì)(search path node pair，SPNP)以及節(jié)點(diǎn)對(duì)投影計(jì)數(shù)(node pair projection count，NPPC)三種路徑統(tǒng)計(jì)算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)搜索路徑中的遍歷數(shù)計(jì)算鏈路連通性，并且將權(quán)重分配給每個(gè)網(wǎng)絡(luò)連線；Hummon & Doreian[17]在提出關(guān)鍵路徑方法時(shí)發(fā)現(xiàn)，出度大于零的引文網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，最后都收縮于關(guān)鍵路徑；Fontana等[18]通過較多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分析驗(yàn)證了Hummom的理論，并認(rèn)為所有路徑基本上收斂于關(guān)鍵路徑，全局關(guān)鍵路徑分析具有重要意義；Verspagen[19]通過計(jì)算認(rèn)為，SPNP和SPLC方法計(jì)算結(jié)果相似，在運(yùn)用SPNP基礎(chǔ)上提出關(guān)鍵路徑網(wǎng)絡(luò)演化(network of the evolution of top path，NETP)方法，用以揭示最優(yōu)路徑隨時(shí)間變化；Choi & Park[20]提出前向引用節(jié)點(diǎn)對(duì)(forward citation node pair，F(xiàn)CNP)概念；黃魯成等[21]對(duì)前向引用關(guān)系專利進(jìn)行了技術(shù)知識(shí)擴(kuò)散潛力測(cè)度。研究技術(shù)演進(jìn)路徑對(duì)把握技術(shù)脈絡(luò)、預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)具有重要意義。學(xué)者們通過專利數(shù)據(jù)對(duì)主路徑展開了大量研究，分析主要圍繞以下方面展開：關(guān)鍵路徑全局分析或局部分析，單一關(guān)鍵路徑分析或多路徑組合分析，基于關(guān)鍵路徑或起點(diǎn)到終點(diǎn)遍歷方式搜索關(guān)鍵路徑，關(guān)鍵路徑上節(jié)點(diǎn)或連線權(quán)重分析、多起點(diǎn)路徑分析、關(guān)鍵路徑成分分析等[22]。運(yùn)用關(guān)鍵路徑分析技術(shù)演進(jìn)具有直觀、快捷和方便等特點(diǎn)，但引用網(wǎng)絡(luò)具有一定時(shí)間滯后性，已有文獻(xiàn)在確定和分析關(guān)鍵路徑時(shí)，錯(cuò)過了約20%的重要專利[23]。

2 基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵路徑的專利集群網(wǎng)絡(luò)演化分析方法

2.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)測(cè)度

根據(jù)Freeman等[24]、Ulrik等[25]學(xué)者的理論，中介中心性(Betweenness Centrality)描述的是一個(gè)點(diǎn)在多大程度上位于網(wǎng)絡(luò)中其它“點(diǎn)對(duì)”的“中間”，是指網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過某點(diǎn)并連接這兩點(diǎn)的最短路徑占這兩點(diǎn)之間最短路徑總數(shù)之比，是常用的中心性測(cè)度指標(biāo)之一。在專利集群網(wǎng)絡(luò)中，如果一個(gè)專利節(jié)點(diǎn)處于大量其它專利節(jié)點(diǎn)對(duì)的最短路徑上，則該專利節(jié)點(diǎn)具有較高中介中心度。

在運(yùn)用過程中，?；趦蓚€(gè)假設(shè)：各路徑權(quán)值相等；知識(shí)從一個(gè)專利傳播到另一個(gè)專利過程中總是走最短路徑。通常中介中心度越高的節(jié)點(diǎn)，對(duì)知識(shí)流動(dòng)促進(jìn)作用越強(qiáng)[26]。中介中心性測(cè)度的是節(jié)點(diǎn)作為信息樞紐的能力，在技術(shù)演進(jìn)過程中扮演著橋梁作用，連接同一網(wǎng)絡(luò)中的新舊知識(shí)。中介中心性分析對(duì)符合無標(biāo)度(scale-free)特征的網(wǎng)絡(luò)尤為重要[27]，即網(wǎng)絡(luò)中心度分布呈現(xiàn)明顯“少數(shù)節(jié)點(diǎn)擁有大量聯(lián)結(jié)，大量節(jié)點(diǎn)擁有少數(shù)聯(lián)結(jié)”現(xiàn)象，具有高中介中心度的節(jié)點(diǎn)是技術(shù)知識(shí)傳播的重要來源[28]。中介中心度計(jì)算公式如下：

(1)

其中，s、t和v表示節(jié)點(diǎn)，σst表示專利節(jié)點(diǎn)s和專利節(jié)點(diǎn)t間最短路徑的數(shù)量，σst(v)表示最短路徑經(jīng)過專利節(jié)點(diǎn)v的數(shù)量。在實(shí)際運(yùn)用中，中介中心度計(jì)算方法一般分為兩步：計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)對(duì)的最短路徑數(shù)和最短路徑長(zhǎng)度；針對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)，加總其所有節(jié)點(diǎn)對(duì)的依賴值。

2.2 關(guān)鍵路徑識(shí)別

專利引文網(wǎng)絡(luò)具有較高的復(fù)雜性，比單鏈基本專利引用復(fù)雜得多，蘊(yùn)含著知識(shí)傳播、流轉(zhuǎn)、擴(kuò)散、重組等過程，是知識(shí)的傳播網(wǎng)絡(luò)，為識(shí)別核心技術(shù)演進(jìn)提供原理。根據(jù)Hummon等[17]學(xué)者的基本理論，判斷節(jié)點(diǎn)是否為重要節(jié)點(diǎn)，應(yīng)該考慮網(wǎng)絡(luò)中整體連接結(jié)構(gòu)?；谒阉髀窂焦?jié)點(diǎn)對(duì)(Search path node pair，SPNP)的關(guān)鍵路徑識(shí)別方法如下：

SPNP(Suv)=N(u)×N'(v)

(2)

其中，Suv表示由引用專利指向施引專利的有向邊，SPNP為節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)目，SPNP(Suv)表示含有節(jié)點(diǎn)對(duì)和有向邊的專利引用頻數(shù)。N(u)表示被專利u引證的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，包括u本身及直接或間接被專利u引用的節(jié)點(diǎn)數(shù)。N'(v)表示引證專利v的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，包括v本身及直接或間接引證專利v的節(jié)點(diǎn)數(shù)。計(jì)算每一個(gè)路徑的SPNP值，統(tǒng)計(jì)值越大，其在連通網(wǎng)絡(luò)中的重要性越高，SPNP方法考慮了中介節(jié)點(diǎn)在關(guān)鍵路徑中的作用。

2.3 基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵路徑的專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)思路

識(shí)別基于路徑依賴的媒介專利節(jié)點(diǎn)，對(duì)中介中心度進(jìn)行測(cè)量，只研究網(wǎng)絡(luò)中少量連接點(diǎn)而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，為技術(shù)演進(jìn)提供了一種分析方法，為多維度和多角度研究技術(shù)演進(jìn)提供了新思路。

基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵路徑的專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)具體分析步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)下載和清洗。確定專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)研究所使用專利數(shù)據(jù)庫和檢索條件，根據(jù)專利檢索表達(dá)式搜索和下載數(shù)據(jù)。通常來說，專利信息為公開數(shù)據(jù)，專利數(shù)據(jù)庫選取不但要考慮合理性和易獲取性，更重要的是盡量考慮綜合性和全面性。

(2)統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)專利技術(shù)領(lǐng)域、專利增長(zhǎng)變化等基本信息進(jìn)行分析，確定最終數(shù)據(jù)集，檢索專利量和專利權(quán)人數(shù)量變化特征，并按時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采取程序語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、清洗及矩陣構(gòu)建。本文采用Matlab編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、清洗和分類以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性，并構(gòu)建專利引用關(guān)系矩陣。

(3)專利集群網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建和結(jié)果輸出。構(gòu)建基于技術(shù)生命周期的專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)模型，對(duì)專利集群網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵路徑分析以及可視化呈現(xiàn)，從兩個(gè)層面分析專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。

3 碳化硅肖特基二極管專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)實(shí)證分析

3.1 碳化硅肖特基二極管專利集群分析

3.1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(Derwent Innovation Index，DII)，該數(shù)據(jù)庫收集了自1963年以來全球40多個(gè)專利機(jī)構(gòu)1 300萬項(xiàng)基本專利和3 000萬項(xiàng)專利，每周增加約4萬項(xiàng)專利，是世界上收錄專利數(shù)據(jù)最全和最權(quán)威的專利數(shù)據(jù)庫之一。運(yùn)用高級(jí)檢索中布爾運(yùn)算符輸入TS=("silicon carbide") AND TS= Schottky，檢索時(shí)間為1963-2017年，檢索日期為2017年10月27日，共檢索到1 238個(gè)專利族，涉及671個(gè)國(guó)際專利代碼(International Patent Code，IPC)。

3.1.2 技術(shù)領(lǐng)域分類

《國(guó)際專利分類表》(international patent classification，IPC分類)是根據(jù)1971年簽訂的《國(guó)際專利分類斯特拉斯堡協(xié)定》編制的，是目前惟一國(guó)際通用專利文獻(xiàn)分類和檢索工具，為世界各國(guó)普遍使用，結(jié)合專利數(shù)據(jù)分析能夠較為全面揭示技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域基本狀況。目前，IPC是對(duì)專利進(jìn)行技術(shù)分類的重要方法，幾乎涵蓋了與發(fā)明創(chuàng)造相關(guān)的全部領(lǐng)域，一般分部、大類、小類、主組、分組5個(gè)等級(jí)，SiC-SBD專利的IPC分類如表1所示。碳化硅肖特基二極管(SiC-SBD)專利量和主要IPC隨時(shí)間變化的總體情況如圖1所示。

圖1 碳化硅肖特基二極管(SiC-SBD)專利量變化趨勢(shì)

表1 碳化硅肖特基二極管SiC-SBD主要IPC分類及含義

部大類小類組(分組)H01基本電氣原件H01L半導(dǎo)體器件H01L-021 專門適用于制造或處理半導(dǎo)體或固體器件或其部件的方法或設(shè)備28 用H01L 21/20至H01L 21/268各組不包含的方法或設(shè)備在半導(dǎo)體材料上制造電極的〔2〕329 包括1個(gè)或兩個(gè)電極的器件,例如二極管〔5〕H01L-029 適用于整流、放大、振蕩或切換的器件06 按其形狀區(qū)分的;按各半導(dǎo)體區(qū)域的形狀、相對(duì)尺寸或配置區(qū)分的〔2〕12 按其構(gòu)成材料的特征區(qū)分的〔2〕16 除摻雜材料或其他雜質(zhì)外,只包括以游離態(tài)存在的周期系中Ⅳ族元素的〔2〕47 肖特基勢(shì)壘電極〔6〕66 按半導(dǎo)體器件的類型區(qū)分的〔2〕78 由絕緣柵產(chǎn)生場(chǎng)效應(yīng)的〔2〕861 二極管〔6〕872 肖特基二極管〔6〕

從主要IPC構(gòu)成可以看出，SiC-SBD發(fā)展主要涉及專業(yè)性強(qiáng)的半導(dǎo)體器件(H01L)領(lǐng)域。依據(jù)IPC代碼含義，排名前列的IPC主要為肖特基二極管材料制備和加工技術(shù)、二極管制造工藝、勢(shì)壘電極分析、絕緣柵產(chǎn)生場(chǎng)效應(yīng)研究等。

3.1.3 專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)生命周期

專利技術(shù)生命周期是指在技術(shù)發(fā)展過程中，專利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人/發(fā)明人/專利權(quán)人數(shù)量的一般性周期規(guī)律，可以判斷專利所處技術(shù)發(fā)展階段，預(yù)測(cè)技術(shù)未來發(fā)展方向。依據(jù)專利最早優(yōu)先權(quán)日對(duì)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行按年統(tǒng)計(jì)，通過專利申請(qǐng)量和專利權(quán)人數(shù)量可將SiC-SBD專利演化過程劃分為萌芽期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰退期，如圖2所示。

圖2 碳化硅肖特基二極管專利數(shù)量及申請(qǐng)人歷年分布情況

(1)萌芽期。1999年以前，專利數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)量很少，且年增長(zhǎng)量變化幅度小，屬于SiC-SBD專利集群網(wǎng)絡(luò)萌芽期。碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管在1985年問世，由Yoshida制作在立方相碳化硅(3C-SiC)上，1986年SiC-SBD相關(guān)專利可查詢。

(2)成長(zhǎng)期。2000-2009年，專利數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)量總體上逐年增加，說明這一時(shí)期存在新技術(shù)的突破。2004-2005年出現(xiàn)了專利數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)量的年增長(zhǎng)量減少的狀況，SiC-SBD研究機(jī)構(gòu)存在一定的調(diào)整，但隨后專利數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)量又開始了小幅增長(zhǎng)，一些新機(jī)構(gòu)加入該領(lǐng)域的研究，這一階段為技術(shù)成長(zhǎng)期。

(3)成熟期。2010-2013年為技術(shù)規(guī)模達(dá)到頂峰前的快速發(fā)展期，專利數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)量以較快速度增長(zhǎng)，說明技術(shù)有了重大突破，其隱含經(jīng)濟(jì)價(jià)值開始顯現(xiàn)，眾多機(jī)構(gòu)在這一時(shí)期加入該領(lǐng)域研究，此階段處于技術(shù)成熟期。2001年，德國(guó)英飛凌公司推出SiC-SBD產(chǎn)品，美國(guó)科銳和意法半導(dǎo)體廠商也緊隨其后推出了SiC-SBD產(chǎn)品。2013年9月29日，碳化硅半導(dǎo)體國(guó)際學(xué)會(huì)“ICSCRM 2013”年會(huì)召開，24個(gè)國(guó)家的半導(dǎo)體企業(yè)、科研院校等136家單位與會(huì)，科銳、三菱、羅姆、英飛凌和飛兆等在會(huì)議上均展示了最新量產(chǎn)化的SiC-SBD器件。

(4)衰退期。2014年至今，SiC-SBD專利量和專利權(quán)人量年增長(zhǎng)量均下降，說明經(jīng)過30多年的發(fā)展，SiC-SBD技術(shù)處于成熟期末期并開始進(jìn)入衰退期。目前為止，具有低損耗、耐高溫和耐高壓等特性的SiC-SBD已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用器件生產(chǎn)階段。

3.2 碳化硅肖特基二極管專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)核心專利識(shí)別

通過SiC-SBD發(fā)展趨勢(shì)分析，可以將該技術(shù)發(fā)展分為4個(gè)時(shí)期，分別為1986-1999年、2000-2009年、2010-2013年，2014-2017年。根據(jù)技術(shù)發(fā)展不同階段，識(shí)別每一階段關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)作為核心專利。

(1)萌芽期專利集群網(wǎng)絡(luò)及核心專利。1986-1999年是SiC-SBD萌芽階段，技術(shù)多為基礎(chǔ)工藝，此階段核心專利體現(xiàn)原創(chuàng)性和無法替代性，是后續(xù)研究的基礎(chǔ)。此階段專利集群網(wǎng)絡(luò)包含346個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 755條邊，中介中心度越大的點(diǎn)顏色越深，如圖3a所示。

圖3a 萌芽期專利集群網(wǎng)絡(luò)

圖3b 萌芽期核心專利構(gòu)成技術(shù)路徑

運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)中介中心性識(shí)別出核心專利，值大于零的7個(gè)專利分別為US4897710-A、US5216264-A、US5635412-A、US5612547-A、US5135885-A、JP63047983-A、US5389799-A，是本階段核心專利，核心專利授權(quán)國(guó)為美國(guó)(US)和日本(JP)。如表2所示，所列7件專利值相差較大。其中，部分專利值較小，而值越大越能夠體現(xiàn)知識(shí)快速傳播和技術(shù)再創(chuàng)新。圖3b為核心專利間引用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，核心專利間引用關(guān)系較簡(jiǎn)單，知識(shí)傳播途徑為由US4897710-A到US5216264-A和JP63047983-A，由US5135885-A到US5635412-A兩條路徑。

表2 萌芽期值大于零的專利

(2)成長(zhǎng)期專利集群網(wǎng)絡(luò)及核心專利。 2000-2009年SiC-SBD專利增長(zhǎng)速度較快，雖然年申請(qǐng)量在2004-2006年間基本保持不變，但專利量和專利權(quán)人數(shù)量總體呈現(xiàn)同步增長(zhǎng)趨勢(shì)，本階段為成長(zhǎng)期，這一時(shí)期專利的經(jīng)濟(jì)價(jià)值有所體現(xiàn)。該階段申請(qǐng)或獲得核心專利所在國(guó)家、地區(qū)或組織主要為美國(guó)(US)、日本(JP)、歐洲(EP)以及世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織(WO)。此階段專利集群網(wǎng)絡(luò)包含5 233個(gè)節(jié)點(diǎn)，73 732條邊，如圖4a所示。

圖4a 成長(zhǎng)期專利集群網(wǎng)絡(luò)

如表3所示，值排名前20的專利中，US6313482-B1、US6573128-B1、US6673662-B2、US7026650-B2、EP1349202-A2、JP2004221513-A的值均大于3 000，說明以上專利具有顯著技術(shù)延續(xù)性，對(duì)后續(xù)技術(shù)演進(jìn)起到必不可少的作用。圖4b為核心專利之間引用關(guān)系圖，說明核心專利間引用比較頻繁，知識(shí)傳播途徑多樣且傳播路徑短，有利于知識(shí)快速傳播。

圖4b 成長(zhǎng)期核心專利構(gòu)成技術(shù)路徑

表3 成長(zhǎng)期值排名前20的專利

專利號(hào)中介中心度(值)專利號(hào)中介中心度(值)US6313482-B112 959.4US6979863-B22 033.9US6573128-B19 605.4US7902054-B21 910.2US6673662-B26 112.6JP2008541459-W1 854.7US7026650-B24 855.4WO2006122252-A21 854.7EP1349202-A24 065.7US6686616-B11 759.2JP2004221513-A3 796.9WO2005076365-A11 543.0US7199442-B22 820.0EP1204145-A21 487.2EP1315202-A12 578.5US6320205-B11 148.0EP1111688-A12 418.6US7262434-B21 097.0US6936850-B22 321.9JP2004515080-W981.0

(3)成熟期專利集群網(wǎng)絡(luò)及核心專利。 2010-2013年，專利數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)量增長(zhǎng)速度較快，SiC-SBD技術(shù)發(fā)展迅速，2013年專利增長(zhǎng)量達(dá)到峰值。如圖5a所示，本階段專利集群網(wǎng)絡(luò)包含5 553個(gè)節(jié)點(diǎn)，41 065條邊。如表4所示，值排名前20的專利中，核心專利授權(quán)國(guó)增加了加拿大(CA)和中國(guó)(CN)。如圖5b所示，排名前20的核心專利間引用關(guān)系較弱。

圖5a 成熟期專利集群網(wǎng)絡(luò)

圖5b 成熟期核心專利構(gòu)成技術(shù)路徑

表4 成熟期值排名前20的專利

專利號(hào)中介中心度(值)專利號(hào)中介中心度(值)US8106487-B2672.0WO2010131569-A1199.5US7851881-B1603.5JP2011165856-A196.0EP2432001-A1576.0US7919403-B2180.0JP2011096757-A564.0JP2010186991-A168.0CN102163627-A431.0JP2011176015-A164.0WO2010131568-A1378.3CN102437201-A150.0JP2010050267-A270.0US8664665-B2144.0CA2735975-A1258.3WO2012128934-A1139.5CN101887854-A234.0JP2011171551-A108.0WO2010119491-A1220.0CN101923906-A108.0

(4)衰退期專利集群網(wǎng)絡(luò)及核心專利。2014-2017年，專利數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)量增長(zhǎng)幅度較第三階段有所下降，且一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可以看出，SiC-SBD技術(shù)研究增長(zhǎng)速度放緩，這一時(shí)期核心專利價(jià)值體現(xiàn)為其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。如圖6a所示，本階段專利集群網(wǎng)絡(luò)包含3 609個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 974條邊。如表5所示，值大于零的10個(gè)專利分別為US9214458-B2、JP2014192352-A、KR2014035594-A、P2015046500-A、JP2014060276-A等，是本階段核心專利。如圖6b所示，核心專利間引用關(guān)系非常弱，短期內(nèi)技術(shù)延續(xù)性較差。

圖6a 衰退期專利集群網(wǎng)絡(luò)

圖6b 衰退期核心專利構(gòu)成技術(shù)路徑

表5 衰退期值大于零的專利

專利號(hào)中介中心度(值)專利號(hào)中介中心度(值)US9214458-B284.0JP2015185617-A42.0JP2014192352-A80.0US9006746-B215.0KR2014035594-A65.0CN103681883-A13.0JP2015046500-A50.0US9105557-B212.0JP2014060276-A44.0WO2014038225-A17.0

3.3 SiC-SBD專利集群網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵路徑分析

將提取的1986-2017年專利引用關(guān)系矩陣數(shù)據(jù)導(dǎo)入Gephi進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，利用Pajek軟件對(duì)引用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)鍵路徑分析，通過對(duì)專利進(jìn)行關(guān)鍵路徑分析，獲取SiC-SBD專利集群網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵路徑。網(wǎng)絡(luò)中連線由施引專利指向被引專利，技術(shù)演進(jìn)方向與引用方向相反。

1986-2017年，SiC-SBD專利集群網(wǎng)絡(luò)包含12 781個(gè)節(jié)點(diǎn)，128 264條邊，依據(jù)搜索路徑節(jié)點(diǎn)對(duì)方法，關(guān)鍵路徑合并同族專利后包含12個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以看出技術(shù)演進(jìn)基本狀況，如圖7所示。

對(duì)SiC-SBD關(guān)鍵路徑中節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的專利進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，SiC-SBD技術(shù)最早由夏普、富士電機(jī)、羅姆和科銳等電子設(shè)備公司掌握。SiC-SBD專利量在萌芽期較少，主要是基礎(chǔ)性研究，成長(zhǎng)期技術(shù)發(fā)展方向?yàn)镾iC-SBD不同結(jié)構(gòu)研究，目前以完善和設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)、改進(jìn)二極管性能為主要研究方向。

圖7 1986-2017年的專利集群網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵路徑

3.4 基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵路徑的SiC-SBD專利集群網(wǎng)絡(luò)演化結(jié)果分析

綜合核心專利和關(guān)鍵路徑可以得出：

(1)萌芽期技術(shù)發(fā)展方向由US4897710-A到US5216264-A和US5614749-A，其中，US4897710-A和US5216264-A是最初的核心專利。此階段，具有高中介中心度的專利在技術(shù)演進(jìn)過程中是重要知識(shí)傳播途徑，尤其是時(shí)間久遠(yuǎn)且被多次引用的核心專利。

(2)成長(zhǎng)期技術(shù)發(fā)展軌道延續(xù)了專利US5614749-A，依次增加了US6313482-B1、US6673662-B2、US7262434-B2(同族專利JP2004221513-A)等專利。其中，US6313482-B1、US6673662-B2、JP2004221513-A、US7902054-B2和US7262434-B2是成長(zhǎng)期排名前20的高中介中心度核心專利。

(3)成熟期技術(shù)發(fā)展軌道增加了JP5926893-B(同族專利JP2012231019-A)。

(4)衰退期技術(shù)發(fā)展軌道通過WO2014045550-A1(同族專利JP2014060276-A)和WO2016002058-A1延續(xù)，其中WO2014045550-A1是衰退期核心專利。通過關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵路徑分析得到的專利節(jié)點(diǎn)重合率約為58%。

4 結(jié)論與啟示

本文運(yùn)用中介中性測(cè)度關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用搜索路徑節(jié)點(diǎn)對(duì)(SPNP)識(shí)別關(guān)鍵路徑，提出了基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵路徑的專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)分析方法。以德溫特?cái)?shù)據(jù)庫收錄的碳化硅肖特基二極管專利資料進(jìn)行實(shí)證研究，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法，結(jié)合專利生命周期劃分、中介中心度計(jì)算和關(guān)鍵路徑提取等方法，對(duì)SiC-SBD集群網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對(duì)專利集群網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中每一階段核心專利和整體網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵路徑中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較和可視化呈現(xiàn)。

通過分析可以得出，隨著時(shí)間推移，SiC-SBD專利量變化呈現(xiàn)一般性周期規(guī)律，依據(jù)技術(shù)生命周期可以判斷專利所處技術(shù)發(fā)展階段以及預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展方向。碳化硅肖特基二極管專利涉及的主要研究?jī)?nèi)容為材料制備和加工技術(shù)、二極管制造工藝、勢(shì)壘電極分析、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)等。該技術(shù)先后在美國(guó)、日本、歐洲快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域技術(shù)的研究從技術(shù)成熟期開始迅速發(fā)展，但從關(guān)鍵技術(shù)路徑來看，關(guān)鍵技術(shù)仍然以美國(guó)和日本專利為主。目前SiC-SBD已經(jīng)開始商業(yè)量產(chǎn)，成熟期專利主要研究方向是完善和設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)、改進(jìn)二極管性能等。技術(shù)生命周期劃分及技術(shù)演進(jìn)分析與SiC-SBD發(fā)展歷史基本吻合，研究框架和分析方法具有一定實(shí)踐意義。

通過SiC-SBD專利集群網(wǎng)絡(luò)研究，得到幾點(diǎn)重要啟示：專利集群網(wǎng)絡(luò)中介中心度高的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在技術(shù)演進(jìn)和再創(chuàng)新中起著重要作用，識(shí)別技術(shù)發(fā)展過程中的關(guān)鍵路徑和高中介中心度節(jié)點(diǎn)，有利于發(fā)現(xiàn)技術(shù)演進(jìn)規(guī)律和未來發(fā)展方向；在運(yùn)用引用網(wǎng)絡(luò)研究技術(shù)演進(jìn)時(shí)，關(guān)鍵路徑上的專利節(jié)點(diǎn)與高中介中心度的核心專利重合度高，高中介中心度節(jié)點(diǎn)間關(guān)系體現(xiàn)著技術(shù)演進(jìn)方向，在研究短間隔或近期核心專利以及預(yù)測(cè)技術(shù)演進(jìn)時(shí)，運(yùn)用中介中心性分析比關(guān)鍵路徑分析更具先導(dǎo)性；利用專利集群網(wǎng)絡(luò)特征評(píng)估核心專利，具有快速、低成本、直觀等特點(diǎn)，方便對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)和技術(shù)前沿進(jìn)行分析。

本研究也存在一些不足之處：為盡量得到最全面的引用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，提取數(shù)據(jù)時(shí)保留了同族專利，引用關(guān)系更為全面但集群網(wǎng)絡(luò)也更為復(fù)雜；對(duì)專利關(guān)系矩陣的構(gòu)建依賴于直接引用關(guān)系，并未對(duì)專利共現(xiàn)和共被引進(jìn)行比較分析；對(duì)專利集群網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行實(shí)證分析，發(fā)現(xiàn)高中介中心度節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵路徑節(jié)點(diǎn)重合度較高，其計(jì)算理論基礎(chǔ)都涉及網(wǎng)絡(luò)中的最短路徑和節(jié)點(diǎn)對(duì)，但未從關(guān)系假設(shè)檢驗(yàn)和數(shù)學(xué)運(yùn)算角度進(jìn)行驗(yàn)證與計(jì)算，中介中心度值的高低未給出具體界定范圍，這也是未來研究可以拓展的方向。