福建省碳化硅襯底專利技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展建議

許 鮮

( 福建省知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心， 福建 福州 350108)

寬禁帶半導(dǎo)體是指禁帶寬度在2.3 eV 及以上的半導(dǎo)體材料，屬于第三代半導(dǎo)體，主要有碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）和金剛石等材料，其有效彌補(bǔ)了前兩代半導(dǎo)體材料在高溫、高壓、高速、大功率和高頻等領(lǐng)域的不足，是常用于照明、光存儲(chǔ)和功率器件等領(lǐng)域的材料[1-4]。全球碳化硅功率器件主要掌握在美國(guó)、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)近年來(lái)陸續(xù)將第三代半導(dǎo)體材料列入發(fā)展計(jì)劃，全面開(kāi)展戰(zhàn)略部署[4-7]。美國(guó)的碳化硅襯底和外延的產(chǎn)能和品質(zhì)居全球首位，其通過(guò)成立“下一代功率電子技術(shù)國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新中心”加強(qiáng)碳化硅晶片等第三代半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化；日本是碳化硅功率器件的設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)的領(lǐng)先者，建立了“下一代功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)開(kāi)發(fā)聯(lián)盟”；歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，其產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目“LAST POWER”致力于攻關(guān)碳化硅和氮化鎵領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)[8，9]。

我國(guó)早在"863" 計(jì)劃中部署了多項(xiàng)寬禁帶半導(dǎo)體材料及器件相關(guān)項(xiàng)目，并在《中國(guó)制造2025》中4 次提到了第三代半導(dǎo)體功率器件[9，10]。2018年國(guó)內(nèi)首個(gè)《第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)路線圖》正式發(fā)布[10]。2021 年，我國(guó)“十四五”和中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中明確提出大力發(fā)展寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)與世界同步和自主可控。得益于我國(guó)在寬禁帶半導(dǎo)體功率器件領(lǐng)域的提前布局，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家沒(méi)有形成明顯的技術(shù)壁壘。我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已基本構(gòu)建了完整的上中下游產(chǎn)業(yè)鏈，但仍面臨著向應(yīng)用端推廣難、產(chǎn)品迭代慢、測(cè)試評(píng)價(jià)條件不足等共性問(wèn)題，需要圍繞特殊應(yīng)用場(chǎng)景需求，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)基于寬禁帶半導(dǎo)體材料和芯片的創(chuàng)新應(yīng)用系統(tǒng)，推動(dòng)科研創(chuàng)新落地。

從2016 年開(kāi)始，各級(jí)政府部門陸續(xù)出臺(tái)了許多指導(dǎo)意見(jiàn)和發(fā)展規(guī)劃，以期能夠引導(dǎo)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。福建省的“十四五”規(guī)劃中提出重點(diǎn)發(fā)展第三代半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域，并出臺(tái)了多項(xiàng)政策支持寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得福建第三代半導(dǎo)體的發(fā)展勢(shì)如破竹。截至目前，總投資超550 億元，超8 個(gè)第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目落戶福建，主要分布在廈門、福州、泉州、莆田等地區(qū)，這些地區(qū)大多出臺(tái)了政策支持第三代寬禁帶半導(dǎo)體。其中，廈門第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目數(shù)量相對(duì)較多，支持力度也相對(duì)較大。但福建省對(duì)碳化硅等寬禁帶功率半導(dǎo)體材料的研究起步較晚，布局較少，在向高質(zhì)量發(fā)展中仍面臨發(fā)展路徑不明、技術(shù)升級(jí)乏力、人才缺失等問(wèn)題，因此作為寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭正勁的福建省，迫切需要優(yōu)化寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，完善寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈及其協(xié)同發(fā)展、補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)鏈和企業(yè)鏈。通過(guò)專利分析和專利布局，支持上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同和技術(shù)合作攻關(guān)，構(gòu)建福建省碳化硅襯底技術(shù)的技術(shù)鏈延伸拓展產(chǎn)業(yè)鏈，助力福建省寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，支撐區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展。

本文闡述了碳化硅襯底技術(shù)的專利現(xiàn)狀，從多個(gè)維度梳理碳化硅襯底技術(shù)專利布局優(yōu)劣勢(shì)，分析存在的問(wèn)題，提出福建省碳化硅襯底技術(shù)專利布局優(yōu)化方向和質(zhì)量提升路徑的對(duì)策建議。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為反映技術(shù)專利發(fā)展現(xiàn)狀，體現(xiàn)專利活動(dòng)與經(jīng)濟(jì)效益之間的關(guān)聯(lián)，本文通過(guò)政策文件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、專利和非專利文獻(xiàn)等查閱碳化硅襯底技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)分解，確定對(duì)照的IPC 范圍，構(gòu)建了碳化硅襯底技術(shù)總檢索式，采用Incopat 專利數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)碳化硅襯底技術(shù)專利進(jìn)行檢索。由于發(fā)明專利申請(qǐng)延遲公開(kāi)的原因，2022 年及2023 年專利申請(qǐng)量低于實(shí)際申請(qǐng)量。

2 專利分析

2.1 申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分析

1961 年至1996 年，碳化硅襯底專利申請(qǐng)人與專利申請(qǐng)數(shù)量都很少，此時(shí)碳化硅襯底技術(shù)仍處于萌芽期；1997 年至2012 年，碳化硅襯底技術(shù)專利申請(qǐng)人和申請(qǐng)數(shù)量開(kāi)始激增，并且在2012 年達(dá)到了頂峰；此時(shí)碳化硅襯底技術(shù)進(jìn)入發(fā)展期，在該階段，基本發(fā)明朝縱向發(fā)展和橫向發(fā)展，其應(yīng)用發(fā)明專利逐漸出現(xiàn)，技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，市場(chǎng)擴(kuò)大，介入的企業(yè)增多；2012 年至今，碳化硅襯底相關(guān)專利申請(qǐng)人數(shù)量開(kāi)始逐步減少，但相關(guān)專利申請(qǐng)量沒(méi)有明顯的降低趨勢(shì)，此時(shí)碳化硅襯底技術(shù)可能逐步步入成熟期，這個(gè)階段中更多的技術(shù)開(kāi)始掌握于少數(shù)申請(qǐng)人手中，技術(shù)逐步集中，其專利技術(shù)生命周期圖如圖1 所示。

圖1 碳化硅襯底專利技術(shù)生命周期圖

碳化硅襯底專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖如圖2 所示，在1961 年至1996 年期間，碳化硅襯底相關(guān)專利在全球范圍內(nèi)開(kāi)始緩慢發(fā)展，但整體申請(qǐng)量較少，均在100 件以下。1997 年開(kāi)始，碳化硅襯底相關(guān)專利的申請(qǐng)量增長(zhǎng)速率開(kāi)始大幅提高，雖有個(gè)別年份申請(qǐng)量減少，但整體呈明顯的上升趨勢(shì)。至2015 年，碳化硅襯底相關(guān)專利的申請(qǐng)量達(dá)到峰值，共有649 件，2015 年后，碳化硅襯底相關(guān)專利的申請(qǐng)量出現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)，雖然在2020 年有所回升，但近兩年仍為明顯的下降的趨勢(shì)。相較于全球而言，中國(guó)碳化硅襯底領(lǐng)域的發(fā)展要較為延遲。1994 年至2002 年，碳化硅襯底中國(guó)專利申請(qǐng)量整體數(shù)量都并不多，除1998 年外均不超過(guò)10件。至2002 年后，相關(guān)專利申請(qǐng)趨勢(shì)開(kāi)始呈明顯的上升趨勢(shì)，并且目前并未出現(xiàn)類似于全球的下降趨勢(shì)。從福建來(lái)看，2006 年福建省首次出現(xiàn)了碳化硅襯底相關(guān)專利的申請(qǐng)。在2008 至2012 年期間，連續(xù)5 年沒(méi)有相關(guān)專利申請(qǐng)，而在2014 至2020 年間該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)呈現(xiàn)為穩(wěn)定上升的趨勢(shì)，并在2020 年達(dá)到20 件申請(qǐng)量的峰值。

圖2 碳化硅襯底專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖

結(jié)合圖1 所示的技術(shù)生命周期圖來(lái)看，全球碳化硅襯底技術(shù)雖然可能已經(jīng)進(jìn)入成熟期，但中國(guó)的碳化硅襯底相關(guān)技術(shù)仍處于高速發(fā)展期，對(duì)于福建省來(lái)說(shuō)，碳化硅襯底相關(guān)技術(shù)的發(fā)展在全球仍處于較為落后的地位，但在未來(lái)幾年中，可以預(yù)見(jiàn)碳化硅襯底的相關(guān)技術(shù)仍處于快速發(fā)展期。

2.2 專利地域分布分析

碳化硅襯底技術(shù)專利地域分布表如表1 所示，中國(guó)以2383 件專利數(shù)量占全球?qū)＠麛?shù)量的20.7%，在全球范圍內(nèi)具有一定的優(yōu)勢(shì)。中國(guó)在碳化硅襯底技術(shù)領(lǐng)域位居第二，相較于排名第一的日本還存在一定的差距。在國(guó)內(nèi)，北京、陜西、江蘇這三個(gè)省份的碳化硅襯底技術(shù)實(shí)力明顯強(qiáng)于其他省份及地區(qū)，其碳化硅襯底專利申請(qǐng)量均超過(guò)200 件。而福建省擁有相關(guān)專利64 件，在全國(guó)各省市中排名第八，與先進(jìn)省份如北京、陜西、江蘇存在一定差距，技術(shù)掌握較少，還有很大的發(fā)展空間。

表1 碳化硅襯底技術(shù)專利地域分布表

2.3 申請(qǐng)人類型分析

碳化硅襯底技術(shù)全球、中國(guó)和福建省專利排名前5 申請(qǐng)人如表2 所示，在全球碳化硅襯底技術(shù)專利申請(qǐng)人中，企業(yè)持有的專利數(shù)量最多，且四位都是日本公司，僅有克里公司這一美國(guó)申請(qǐng)人。日本住友公司的專利申請(qǐng)量位居榜首，遠(yuǎn)超全球其他申請(qǐng)人。在中國(guó)，有2 位日本申請(qǐng)人，3 位中國(guó)申請(qǐng)人，碳化硅襯底相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量較多的是住友電氣工業(yè)株式會(huì)社，申請(qǐng)量為206 件，而西安電子科技大學(xué)以195 件專利數(shù)量位居第二。在福建省內(nèi)，在福建省范圍內(nèi)廈門市三安集成電路有限公司以14 件專利申請(qǐng)數(shù)量位居第一，結(jié)合全球與中國(guó)整體情況分析，福建省在該領(lǐng)域仍有較大的發(fā)展空間。

表2 碳化硅襯底技術(shù)全球、中國(guó)和福建省專利排名前5 申請(qǐng)人

2.4 技術(shù)領(lǐng)域分布分析

碳化硅襯底技術(shù)專利IPC 分類表如表3 所示，全球、中國(guó)和福建省專利技術(shù)領(lǐng)域排名前兩位的均為H01L21 和H01L29，說(shuō)明全球、中國(guó)和福建省都較為注重這兩個(gè)技術(shù)方向的研究和創(chuàng)造。IPC 分類號(hào)H01L21 代表的技術(shù)方向是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，H01L29 其代表的技術(shù)方向主要是關(guān)于整流、放大、震蕩或切換的半導(dǎo)體器件，或者為半導(dǎo)體本體或其電極的零部件。全球和中國(guó)專利技術(shù)領(lǐng)域分布處于前五位的分類號(hào)相同，主要 集 中 于H01L21、H01L29、C30B29、H01L33 和H01L31 等IPC 分類號(hào)，福建省與全球范圍內(nèi)、中國(guó)范圍內(nèi)的分布存在一定差異，主要集中于H01L29、H01L21、H01L31、C30B29 和H01L33 等IPC 分類號(hào)。

表3 碳化硅襯底技術(shù)專利IPC 分類（小類）表

3 結(jié)論與建議

從專利申請(qǐng)趨勢(shì)來(lái)看，全球碳化硅襯底技術(shù)可能已經(jīng)進(jìn)入成熟期，但中國(guó)，特別是福建省的碳化硅襯底相關(guān)技術(shù)仍處于高速發(fā)展期，然而福建省碳化硅襯底技術(shù)的專利數(shù)量在全球和中國(guó)的占比較小，仍需持續(xù)發(fā)展；從專利區(qū)域分布來(lái)看，福建省碳化硅襯底技術(shù)發(fā)展一般，與北京、陜西、江蘇等先進(jìn)省份有較大差距，技術(shù)掌握較少，仍有較大發(fā)展空間；從專利技術(shù)分布來(lái)看，福建省與全球范圍內(nèi)、中國(guó)范圍內(nèi)的分布存在一定差異，但全球、中國(guó)和福建省專利技術(shù)領(lǐng)域排名前兩位的IPC 分類號(hào)均為H01L21 和H01L29；從主要申請(qǐng)人來(lái)看，日本企業(yè)持有的專利數(shù)量最多，其次是美國(guó)企業(yè)，與全球和中國(guó)的主要申請(qǐng)人相比，福建省在該領(lǐng)域仍有較大發(fā)展空間。

根據(jù)對(duì)碳化硅襯底技術(shù)的專利分析，從技術(shù)優(yōu)化路徑、企業(yè)培育和人才培養(yǎng)等方面提出了推動(dòng)福建省碳化硅襯底技術(shù)發(fā)展的具體建議。在技術(shù)優(yōu)化路徑上，福建省碳化硅襯底技術(shù)在全球占比較低，但在某些重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新突出，具有一定的后發(fā)優(yōu)勢(shì)，因而加強(qiáng)碳化硅襯底的制備方法及設(shè)備的研發(fā)投入和專利布局是福建省未來(lái)發(fā)展的重中之重?？紤]加大對(duì)H01L21 和H01L29等重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入，縮小與碳化硅襯底技術(shù)重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域的差距。對(duì)H01L31（對(duì)紅外輻射、光、較短波長(zhǎng)的電磁輻射，或微粒輻射敏感的，并且專門適用于把這樣的輻射進(jìn)行電能控制的半導(dǎo)體器件）和C30B25（反應(yīng)氣體化學(xué)反應(yīng)法的單晶生長(zhǎng)）等具有一定創(chuàng)新實(shí)力的技術(shù)領(lǐng)域，可跟蹤并預(yù)警重點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的專利技術(shù)動(dòng)向，分析專利風(fēng)險(xiǎn)和潛在技術(shù)切入點(diǎn)，提高研發(fā)起點(diǎn)和效率；對(duì)H01L33（至少有一個(gè)電位躍變勢(shì)壘或表面勢(shì)壘的專門用于半發(fā)射的半導(dǎo)體器件）和C30B29（以材料或形狀為特征的單晶或具有一定結(jié)構(gòu)的均勻多晶材料）等薄弱技術(shù)領(lǐng)域，考慮引進(jìn)國(guó)內(nèi)外具有領(lǐng)先創(chuàng)新實(shí)力的企業(yè)或人才與其開(kāi)展合作，研制出有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供智力資源支撐和保障。

在企業(yè)培育方面，加大對(duì)福建省碳化硅襯底技術(shù)龍頭企業(yè)的梳理、培育和整合力度，減少低水平重復(fù)建設(shè)，提升企業(yè)自主創(chuàng)新能力，盡快達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。福建省碳化硅襯底技術(shù)領(lǐng)域的企業(yè)培育中高校以廈門大學(xué)為主，企業(yè)以三安集成電路有限公司、瀚天天成電子科技有限公司和廈門芯光潤(rùn)澤科技有限公司為主要培育對(duì)象。技術(shù)引進(jìn)以西安電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所和中科院所為主要對(duì)象。同時(shí)，加大協(xié)同創(chuàng)新力度，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行專利協(xié)同創(chuàng)新、聯(lián)合引進(jìn)、專利協(xié)同布局、組建知識(shí)產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟等方式，支持福建省創(chuàng)新主體運(yùn)用優(yōu)勢(shì)專利資源。

在人才培養(yǎng)方面，可以借助本地教育優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)符合福建省發(fā)展目標(biāo)的創(chuàng)新人才向關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)積聚；支持具有創(chuàng)新實(shí)力、擁有核心專利技術(shù)的創(chuàng)新人才，加大對(duì)碳化硅襯底等寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)開(kāi)發(fā)投入、稅收優(yōu)惠、人才引進(jìn)與培養(yǎng)等方面的優(yōu)惠政策。