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中美第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)對(duì)比

來(lái)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(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

       在美國(guó)對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)封鎖持續(xù)升級(jí)的大環(huán)境下，中美雙方對(duì)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(duì)不大，因此第三代半導(dǎo)體材料有望成為我國(guó)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(guó)技術(shù)創(chuàng)新的必爭(zhēng)之地。

      一 中美半導(dǎo)體行業(yè)整體情況對(duì)比

     ①?gòu)陌l(fā)展歷程來(lái)看，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)21世紀(jì)才真正起步，較美國(guó)晚了50多年。

      圖1  中美半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程對(duì)比

       資料來(lái)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(lái)看，2020年，半導(dǎo)體行業(yè)4123億美元的全球營(yíng)收中，美國(guó)公司占據(jù)47%，而中國(guó)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(yíng)收各國(guó)占比

    資料來(lái)源：SIA《2020年美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀》

       ③從未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)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(guó)逆勢(shì)翻盤的機(jī)會(huì)。

       半導(dǎo)體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了3個(gè)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(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在美國(guó)對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)封鎖持續(xù)升級(jí)的大環(huán)境下，中美雙方對(duì)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(duì)不大，因此第三代半導(dǎo)體材料有望成為我國(guó)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(duì)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(duì)中美情況開(kāi)展對(duì)比分析，以識(shí)別中美雙方具化差異。

       1. 總量對(duì)比分析

       圖3 中美兩國(guó)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(xiàng)）對(duì)比圖

數(shù)據(jù)來(lái)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(jì)23738項(xiàng)。我國(guó)共布局專利5232項(xiàng)，專利申請(qǐng)總量略占優(yōu)勢(shì)，美國(guó)稍遜一籌，布局專利2772項(xiàng)。

       2. 專利年度申請(qǐng)趨勢(shì)對(duì)比分析

       圖4  中美兩國(guó)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(qǐng)量（項(xiàng)）趨勢(shì)對(duì)比圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       美國(guó)專利布局雖早于中國(guó)近20年，但在2001年之前，該技術(shù)年申請(qǐng)量持續(xù)低于100項(xiàng)，2001年后年申請(qǐng)量保持在百項(xiàng)左右的水平，近10年發(fā)展態(tài)勢(shì)較為平緩穩(wěn)定；中國(guó)相關(guān)專利于1985年最先提出，專利年申請(qǐng)量在2008年之后呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，并于2009年超過(guò)美國(guó)，在2019年更是達(dá)到了709項(xiàng)的峰值，這種發(fā)展態(tài)勢(shì)體現(xiàn)了中國(guó)近十年對(duì)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(guó)一較長(zhǎng)短的實(shí)力。

       3. IPC分類對(duì)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(guó)技術(shù)研究方向十分相似，在專利申請(qǐng)量排名前10的技術(shù)大組中，中美兩國(guó)在9個(gè)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了重合。而在技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)及創(chuàng)新活躍度上存在細(xì)微差異。

       圖5  中國(guó)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(lái)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(lái)，中國(guó)研發(fā)勢(shì)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(lái)看，C30B29和C30B25領(lǐng)域是當(dāng)前中國(guó)的研發(fā)新熱點(diǎn)。

       圖6  美國(guó)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(lái)源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       美國(guó)近幾年的專利申請(qǐng)數(shù)量以及技術(shù)創(chuàng)新活躍度均不及中國(guó)，近5年申請(qǐng)量最高僅184項(xiàng)，技術(shù)活躍度最高僅50%。從近5年專利布局情況來(lái)看，布局集中于H01L21和H01L29領(lǐng)域，與中國(guó)情況較為一致。除此之外，中國(guó)和美國(guó)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(duì)方的榜單之中，這也為當(dāng)前雙方的差異點(diǎn)。

       4. 重點(diǎn)申請(qǐng)人對(duì)比分析

       在相關(guān)專利技術(shù)中，美國(guó)重點(diǎn)申請(qǐng)人中80%為企業(yè)，其中克里公司（299項(xiàng)）、通用電氣（132項(xiàng)）以及國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（111項(xiàng)）為申請(qǐng)人top3。加州大學(xué)以及北卡羅來(lái)納州立大學(xué)為入圍申請(qǐng)人top10的兩所高校。

       圖7  美國(guó)涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體相關(guān)專利重點(diǎn)申請(qǐng)人top10

數(shù)據(jù)來(lái)源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       在中國(guó)重點(diǎn)申請(qǐng)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(shuō)明國(guó)內(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域仍處于研發(fā)階段，距離實(shí)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(xiàng)，僅略低于美國(guó)重點(diǎn)申請(qǐng)人榜首的克里公司。

       圖8  中國(guó)涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體相關(guān)專利重點(diǎn)申請(qǐng)人top10

數(shù)據(jù)來(lái)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(guó)對(duì)涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體相關(guān)專利的對(duì)外布局十分重視，超90%的專利擁有2個(gè)以上同族，同族數(shù)最高超過(guò)18。而中國(guó)85%的專利僅在本土申請(qǐng)，未進(jìn)行對(duì)外布局，這不僅體現(xiàn)了我國(guó)專利對(duì)外布局意識(shí)的薄弱，還在一定程度上說(shuō)明了該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)存在量大質(zhì)低的問(wèn)題。

       圖9 中美兩國(guó)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(lái)源：大為innojoy專利檢索系統(tǒng)

檢索日期：2021年10月8日

       6. 未來(lái)前景分析

       表1 近五年中國(guó)第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)活動(dòng)及政策

       根據(jù)專利對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，中國(guó)在專利申請(qǐng)總量、申請(qǐng)態(tài)勢(shì)及創(chuàng)新活躍度上具有明顯優(yōu)勢(shì)。且技術(shù)發(fā)展方向也與美國(guó)較為一致，在H01L21和H01L29等技術(shù)領(lǐng)域中擁有高于美國(guó)的研究熱度。但同時(shí)存在專利質(zhì)量偏低的問(wèn)題，后期在國(guó)家政策的大力推動(dòng)下，應(yīng)注意彌補(bǔ)這一明顯劣勢(shì)。

       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(chǎng)”，第三代半導(dǎo)體正處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，國(guó)際巨頭還未形成專利、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模的完全壟斷。我國(guó)在市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域有戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，從2016年開(kāi)始，政府不斷出臺(tái)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(dòng)之下，第三代半導(dǎo)體已呈現(xiàn)出明顯的爆發(fā)趨勢(shì)。未來(lái)，隨著政策、技術(shù)、產(chǎn)品、企業(yè)等要素的投入，我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)高速發(fā)展，有機(jī)會(huì)實(shí)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。

       （聲明：本文版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)發(fā)僅為更大范圍傳播，若有異議請(qǐng)聯(lián)系我們修改或刪除：wang@cgbtek.com）