化合物半導體產業結構及布局導向研究
——基于全球化合物半導體的專利分析

王宇航，黃岑宇

(1.鎮江市高等專科學校,江蘇 鎮江 212002；2.鎮江高等職業技術學校,江蘇 鎮江 212009)

0 引言

半導體材料主要應用于集成電路，主要應用領域為計算機、網絡通信、消費電子、汽車電子、工業控制等。我國半導體產業總體產能較低，全球市場競爭力弱，對國外依賴程度較高。伴隨著2015年我國實施的《國家集成電路產業發展推進綱要》政策，半導體產業在快速發展。本研究基于全球專利信息，從專利視角分析化合物半導體領域技術發展趨勢，以期為化合物半導體產業發展提供參考。

1 專利數據檢索及技術分解

根據世界知識產權組織的報告，世界上最大的技術信息來源渠道就是專利，其中包含了90%以上的全球科研和實驗開發成果，約70%的成果從來沒有在其他非專利文獻中出現[1]，可見，專利是反映技術發展趨勢的重要信息來源[2]。

本研究采用的專利文獻數據主要來自中國專利文摘數據庫、incoPat科技創新情報平臺，還綜合利用了部分其他專利數據庫。檢索方式分主題檢索、申請人檢索和引證追蹤檢索3部分，其中，主題檢索的進一步精準檢測方式又包括初步檢索和精確檢索。本報告檢索的截止日期為2021年1月15日。

為了準確把握技術發展方向，精確定位技術熱點，基于產業技術資料收集、專利庫初步檢索以及產業專家指導，課題組經過多次討論和修改，最終形成了化合物半導體產業的技術分解表，如表1所示。

表1 化合物半導體制備技術分解

2 SiC與GaN成為研發的熱點方向

電子信息產業的基礎是半導體行業，同時它也代表著國家的科技實力。20世紀40年代，固體量子理論的創建為半導體的能帶理論和P-N結理論等帶來了發展，奠定了科技基礎。分析世界銀行的統計數據可以發現，1980—2007年間，全球半導體產業的產出與GDP之間的相關性越來越高；在1998—2007年這個時間段，相關性系數達到了0.79[3]。可見，集成電路制造工藝的進步在推動半導體產業不斷追求技術革新，半導體產業是科技進步的重要標志和典型代表[4]。因此，本文將對半導體產業結構調整進行實證分析。

對化合物半導體產業各一級技術分支的全球專利總體分布情況進行統計。圖1為全球化合物半導體產業各一級技術分支布局情況以及申請趨勢，從圖1可以看出：SiC的申請量位居第一，占比高達35%，達總申請量的三成以上；緊隨其后的是GaAs和GaN，占比分別達到28%和26%；而InP的申請總量相對偏少。可見，對于SiC的技術領域而言，吸引著更多的競爭主體，作為第二代半導體材料代表的GaAs和第三代半導體材料代表的GaN，同樣是化合物半導體產業研發主體的關注熱點；相反的，InP這一領域的產業化熱度較低。

圖1 全球化合物半導體產業一級技術分支布局情況及申請趨勢

從各一級技術分支專利數量隨時間的變化趨勢可以發現，基本從整體上反映了化合物半導體產業結構的變化趨勢。從起步來看，GaAs領域起步最早，最早出現于1910年，鍺(Ge)作為最早采用的半導體材料，最早出現是在1958年7月，用在由杰克·基爾比制造的第一塊集成電路上，這塊集成電路是以鍺(Ge)作為襯底制造的，并且在20世紀60年代后期逐漸被硅材料取代。GaAs，SiC以及InP較早展現出專利活躍度的提升，這3個領域的相關專利申請量從20世紀80年代就呈現出較為明顯的增長；1980—2006年，GaAs，SiC以及InP這3個領域同時歷經緩慢增長期，與此同時，SiC的專利申請量甚至慢慢超過GaAs和InP，攀至榜首，在此期間，研發主體意識到轉換SiC，電路和碳化硅器件的技術最為成熟，研究進展也較快，具有很強的性能和廣闊的應用前景，因此，一直備受重視；在2007—2011年這一階段中，SiC和GaN歷經快速增長期，得到空前發展；2011年之后，SiC和GaN進入穩定發展階段，而GaAs和InP則呈現出波動下降的發展態勢。可見，對于化合物半導體產業發展所需要的支撐性技術，SiC和GaN的發展時間長、研發基礎雄厚，近些年也仍然在不斷產生新的技術，整體技術發展迅猛，而GaAs和InP技術則表現出一定程度的創新乏力。因此，GaN的技術發展歷史雖短，但和SiC一樣均是當下化合物半導體技術研發的熱點方向。

為了更為直觀地展現化合物半導體全球產業結構調整方向，進一步將化合物半導體產業的發展分成5個時間階段，研究不同階段的專利布局變化情況，從而展現全球產業結構的調整傾向。圖2和圖3分別為全球化合物半導體產業一級技術分支在不同時間階段的專利申請量趨勢和專利申請量占比趨勢，可以看出，SiC這一技術分支的相關專利申請數量在1990年以后均處于領先地位，明顯高于其他一級技術分支，然而從專利申請量占比來看，GaN也具備較強優勢，而InP已經呈現出明顯的萎縮態勢。

圖2 全球化合物半導體產業一級技術分支在不同階段的專利申請量趨勢

圖3 全球化合物半導體產業一級技術分支在不同階段的專利申請量占比趨勢

總體來看，目前對于SiC與GaN這兩個技術分支，不論從時間階段的申請量變化趨勢還是占比趨勢來看，都表現出強勁的增長勢頭，受到越來越多創新主體的關注。

布局意愿分析是根據統計分析專利數據的同族數量來進一步計算布局因子，針對這一指標的分析可知創新主體對各技術分支在其他國家或地區的布局意愿。

對全球化合物半導體產業各一級技術分支進行布局意愿分析可以發現(見圖4)，布局因子最高的是GaN，可見該技術領域的申請人并不局限于在本國申請，而是積極布局其他地區，尋求更為有效的專利保護。此外，布局因子在2以上的技術分支還有SiC，說明這兩個技術領域的市場均吸引著眾多創新主體的關注。而中國申請人占有較大比例的GaAs領域布局因子最低，這是因為中國申請人通常只在本國國內申請而不重視國外的專利申請。

圖4 全球化合物半導體產業各一級技術分支布局意愿

3 GaN，SiC，GaAs成為產業布局的熱點方向

圖5為全球化合物半導體產業二級技術分支的專利申請量及其在各一級技術分支內部的占比情況。從專利申請量來看，GaN的下游應用、SiC的下游應用這兩個技術領域具有較為明顯的領先優勢，申請量位于第一梯隊，并且分別是各自所在的一級分支中占比最高的二級技術分支，SiC的下游應用申請量位居第1，其在一級分支的占比達45.22%，而GaN的下游應用在一級分支占比高達50.88%，也就是說GaN和SiC作為當下化合物半導體技術研發的熱點方向，其絕大多數的研發產出與下游應用技術相關。此外，GaAs的芯片制造和下游應用以及GaN的芯片制造專利申請量也都處于領先地位，由于GaAs的芯片制造和下游應用同在一個一級技術分支中，二者的一級分支占比并不突出，可見GaAs的芯片制造和下游應用以及GaN的芯片制造這3個技術分支也代表了全球化合物半導體行業的研究熱點。

圖5 全球化合物半導體產業二級技術分支專利申請量及其在各一級技術分支內部占比情況

綜上所述，從全球情況來看，GaN的芯片制造和下游應用、SiC的芯片制造和下游應用、GaAs的芯片制造和下游應用是化合物半導體產業布局的熱點方向。

圖6為中國化合物半導體產業二級技術分支的專利申請量及其在各一級技術分支內部的占比情況。從我國范圍來看，GaN的下游應用和SiC的下游應用專利申請量優勢表現得更為突出，遠遠超出其他二級技術分支，可以判斷GaN的下游應用和SiC的下游應用是中國化合物半導體產業布局中的絕對優勢分支，結合前文“產業結構調整”部分中所闡述的，GaN的下游應用專利申請量從2007年開始迅猛提升，不難看出，中國GaN的下游應用正處于澎湃的發展期，可以想象，近年來，第三代半導體材料成為全球半導體市場爭奪的焦點，中國申請人選擇另辟蹊徑，并逐步在化合物半導體產業構建自己的專利版圖。除此之外，GaN的芯片制造、SiC的芯片制造以及GaAs的下游應用這3個技術分支也具有相當數量的專利儲備，并且以上3個二級技術分支也構成其所在一級分支的重要組成部分，表明以上3個技術細分領域也吸引了中國化合物半導體產業中創新主體的關注。

圖6 中國化合物半導體產業二級技術分支專利申請量及其在各一級技術分支內部占比情況

由此可見，中國情況與全球情況有相似之處但仍然存在差別，GaN的芯片制造和下游應用、SiC的芯片制造和下游應用以及GaAs的下游應用是中國化合物半導體產業進行布局時較為關注的熱點方向。

4 化合物半導體材料近年發展方向

產業增長熱點方向分析中，分別計算各二級技術分支下全球和中國化合物半導體產業近10年與近5年的專利申請量占比。該占比越大，表明該領域基礎越薄弱，不應作為近期發展的熱點方向；相反的，該占比越小，表明該領域已經不再是近幾年研究的焦點或已發展到飽和，也不應作為發展的重點。因此，需要選擇合適的基準范圍并從中挑選出可以發展的方向。本報告選擇置信區間作為選擇的基準范圍，以各技術分支申請量占比的平均值上下浮動標準差作為置信區間，以選擇出發展的方向。

圖7為全球化合物半導體產業近年申請占比情況。從近5年和近10年的全球化合物半導體產業申請占比來看，GaAs的封裝測試，GaN的襯底晶片、芯片制造、下游應用和SiC的襯底晶片、外延生長、芯片制造、下游應用分別位于相應的置信區間內，表明從全球近年發展情況來看，上述8個技術分支是較為理想的發展方向。

圖7 全球化合物半導體產業近年申請占比情況

同樣的，圖8為中國化合物半導體產業近年申請占比情況。整體來看，中國的近年申請占比明顯高于全球的近年申請占比，中國化合物半導體產業表現出更大的研發熱情和創新活力；此外，中國化合物半導體產業在各二級技術分支中的近年申請占比相較于全球來說顯得更為均衡，也就是說中國創新主體近年來在每個二級技術分支中均在積極進行相關專利布局。從近5年和近10年的中國申請占比來看，GaAs的封裝測試、下游應用，GaN的襯底晶片、芯片制造、封裝測試、下游應用，SiC的襯底晶片、外延生長、下游應用以及InP的封裝測試均位于相應的置信區間內，表明從中國近年發展情況來看，上述10個技術分支是較為理想的發展方向。

圖8 中國化合物半導體產業近年申請占比情況

5 結語

本文研究了全球化合物半導體產業結構及專利布局導向，基于上述專利分析，得出以下結論：基于專利總體分布情況分析，SiC的申請量位居第1，InP領域的產業化熱度較低，中國申請人占有較大比例的是GaAs領域；對產業布局熱點方向進行分析發現，GaN的芯片制造和下游應用、SiC的芯片制造和下游應用、GaAs的芯片制造和下游應用是化合物半導體產業布局的熱點方向；從近5年和近10年的全球化合物半導體產業申請占比來看，GaAs的封裝測試，GaN的襯底晶片、芯片制造、下游應用和SiC的襯底晶片、外延生長、芯片制造、下游應用是較為理想的發展方向。