福建省碳化硅襯底專利技術現狀與發展建議

許 鮮

( 福建省知識產權保護中心， 福建 福州 350108)

寬禁帶半導體是指禁帶寬度在2.3 eV 及以上的半導體材料，屬于第三代半導體，主要有碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）和金剛石等材料，其有效彌補了前兩代半導體材料在高溫、高壓、高速、大功率和高頻等領域的不足，是常用于照明、光存儲和功率器件等領域的材料[1-4]。全球碳化硅功率器件主要掌握在美國、歐洲和日本等發達國家，我國近年來陸續將第三代半導體材料列入發展計劃，全面開展戰略部署[4-7]。美國的碳化硅襯底和外延的產能和品質居全球首位，其通過成立“下一代功率電子技術國家制造業創新中心”加強碳化硅晶片等第三代半導體技術的研發和產業化；日本是碳化硅功率器件的設備和模塊開發的領先者，建立了“下一代功率半導體封裝技術開發聯盟”；歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應用產業鏈，其產學研項目“LAST POWER”致力于攻關碳化硅和氮化鎵領域關鍵技術[8，9]。

我國早在"863" 計劃中部署了多項寬禁帶半導體材料及器件相關項目，并在《中國制造2025》中4 次提到了第三代半導體功率器件[9，10]。2018年國內首個《第三代半導體電力電子技術路線圖》正式發布[10]。2021 年，我國“十四五”和中長期發展規劃中明確提出大力發展寬禁帶功率半導體產業，以期實現產業與世界同步和自主可控。得益于我國在寬禁帶半導體功率器件領域的提前布局，國外發達國家沒有形成明顯的技術壁壘。我國寬禁帶半導體產業已基本構建了完整的上中下游產業鏈，但仍面臨著向應用端推廣難、產品迭代慢、測試評價條件不足等共性問題，需要圍繞特殊應用場景需求，重點開發基于寬禁帶半導體材料和芯片的創新應用系統，推動科研創新落地。

從2016 年開始，各級政府部門陸續出臺了許多指導意見和發展規劃，以期能夠引導中國半導體產業健康發展。福建省的“十四五”規劃中提出重點發展第三代半導體芯片領域，并出臺了多項政策支持寬禁帶功率半導體產業的發展，使得福建第三代半導體的發展勢如破竹。截至目前，總投資超550 億元，超8 個第三代半導體項目落戶福建，主要分布在廈門、福州、泉州、莆田等地區，這些地區大多出臺了政策支持第三代寬禁帶半導體。其中，廈門第三代半導體項目數量相對較多，支持力度也相對較大。但福建省對碳化硅等寬禁帶功率半導體材料的研究起步較晚，布局較少，在向高質量發展中仍面臨發展路徑不明、技術升級乏力、人才缺失等問題，因此作為寬禁帶半導體產業發展勢頭正勁的福建省，迫切需要優化寬禁帶半導體產業結構，完善寬禁帶半導體產業鏈及其協同發展、補強技術鏈和企業鏈。通過專利分析和專利布局，支持上下游產業協同和技術合作攻關，構建福建省碳化硅襯底技術的技術鏈延伸拓展產業鏈，助力福建省寬禁帶半導體產業結構優化升級，支撐區域高質量發展。

本文闡述了碳化硅襯底技術的專利現狀，從多個維度梳理碳化硅襯底技術專利布局優劣勢，分析存在的問題，提出福建省碳化硅襯底技術專利布局優化方向和質量提升路徑的對策建議。

1 數據來源

為反映技術專利發展現狀，體現專利活動與經濟效益之間的關聯，本文通過政策文件、技術標準、專利和非專利文獻等查閱碳化硅襯底技術，對其進行技術分解，確定對照的IPC 范圍，構建了碳化硅襯底技術總檢索式，采用Incopat 專利數據庫對碳化硅襯底技術專利進行檢索。由于發明專利申請延遲公開的原因，2022 年及2023 年專利申請量低于實際申請量。

2 專利分析

2.1 申請態勢分析

1961 年至1996 年，碳化硅襯底專利申請人與專利申請數量都很少，此時碳化硅襯底技術仍處于萌芽期；1997 年至2012 年，碳化硅襯底技術專利申請人和申請數量開始激增，并且在2012 年達到了頂峰；此時碳化硅襯底技術進入發展期，在該階段，基本發明朝縱向發展和橫向發展，其應用發明專利逐漸出現，技術有了突破性的進展，市場擴大，介入的企業增多；2012 年至今，碳化硅襯底相關專利申請人數量開始逐步減少，但相關專利申請量沒有明顯的降低趨勢，此時碳化硅襯底技術可能逐步步入成熟期，這個階段中更多的技術開始掌握于少數申請人手中，技術逐步集中，其專利技術生命周期圖如圖1 所示。

圖1 碳化硅襯底專利技術生命周期圖

碳化硅襯底專利申請趨勢圖如圖2 所示，在1961 年至1996 年期間，碳化硅襯底相關專利在全球范圍內開始緩慢發展，但整體申請量較少，均在100 件以下。1997 年開始，碳化硅襯底相關專利的申請量增長速率開始大幅提高，雖有個別年份申請量減少，但整體呈明顯的上升趨勢。至2015 年，碳化硅襯底相關專利的申請量達到峰值，共有649 件，2015 年后，碳化硅襯底相關專利的申請量出現一定的下降趨勢，雖然在2020 年有所回升，但近兩年仍為明顯的下降的趨勢。相較于全球而言，中國碳化硅襯底領域的發展要較為延遲。1994 年至2002 年，碳化硅襯底中國專利申請量整體數量都并不多，除1998 年外均不超過10件。至2002 年后，相關專利申請趨勢開始呈明顯的上升趨勢，并且目前并未出現類似于全球的下降趨勢。從福建來看，2006 年福建省首次出現了碳化硅襯底相關專利的申請。在2008 至2012 年期間，連續5 年沒有相關專利申請，而在2014 至2020 年間該領域的專利申請呈現為穩定上升的趨勢，并在2020 年達到20 件申請量的峰值。

圖2 碳化硅襯底專利申請趨勢圖

結合圖1 所示的技術生命周期圖來看，全球碳化硅襯底技術雖然可能已經進入成熟期，但中國的碳化硅襯底相關技術仍處于高速發展期，對于福建省來說，碳化硅襯底相關技術的發展在全球仍處于較為落后的地位，但在未來幾年中，可以預見碳化硅襯底的相關技術仍處于快速發展期。

2.2 專利地域分布分析

碳化硅襯底技術專利地域分布表如表1 所示，中國以2383 件專利數量占全球專利數量的20.7%，在全球范圍內具有一定的優勢。中國在碳化硅襯底技術領域位居第二，相較于排名第一的日本還存在一定的差距。在國內，北京、陜西、江蘇這三個省份的碳化硅襯底技術實力明顯強于其他省份及地區，其碳化硅襯底專利申請量均超過200 件。而福建省擁有相關專利64 件，在全國各省市中排名第八，與先進省份如北京、陜西、江蘇存在一定差距，技術掌握較少，還有很大的發展空間。

表1 碳化硅襯底技術專利地域分布表

2.3 申請人類型分析

碳化硅襯底技術全球、中國和福建省專利排名前5 申請人如表2 所示，在全球碳化硅襯底技術專利申請人中，企業持有的專利數量最多，且四位都是日本公司，僅有克里公司這一美國申請人。日本住友公司的專利申請量位居榜首，遠超全球其他申請人。在中國，有2 位日本申請人，3 位中國申請人，碳化硅襯底相關專利申請數量較多的是住友電氣工業株式會社，申請量為206 件，而西安電子科技大學以195 件專利數量位居第二。在福建省內，在福建省范圍內廈門市三安集成電路有限公司以14 件專利申請數量位居第一，結合全球與中國整體情況分析，福建省在該領域仍有較大的發展空間。

表2 碳化硅襯底技術全球、中國和福建省專利排名前5 申請人

2.4 技術領域分布分析

碳化硅襯底技術專利IPC 分類表如表3 所示，全球、中國和福建省專利技術領域排名前兩位的均為H01L21 和H01L29，說明全球、中國和福建省都較為注重這兩個技術方向的研究和創造。IPC 分類號H01L21 代表的技術方向是專門適用于制造或處理半導體或固體器件或其部件的方法或設備，H01L29 其代表的技術方向主要是關于整流、放大、震蕩或切換的半導體器件，或者為半導體本體或其電極的零部件。全球和中國專利技術領域分布處于前五位的分類號相同，主要 集 中 于H01L21、H01L29、C30B29、H01L33 和H01L31 等IPC 分類號，福建省與全球范圍內、中國范圍內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。

表3 碳化硅襯底技術專利IPC 分類（小類）表

3 結論與建議

從專利申請趨勢來看，全球碳化硅襯底技術可能已經進入成熟期，但中國，特別是福建省的碳化硅襯底相關技術仍處于高速發展期，然而福建省碳化硅襯底技術的專利數量在全球和中國的占比較小，仍需持續發展；從專利區域分布來看，福建省碳化硅襯底技術發展一般，與北京、陜西、江蘇等先進省份有較大差距，技術掌握較少，仍有較大發展空間；從專利技術分布來看，福建省與全球范圍內、中國范圍內的分布存在一定差異，但全球、中國和福建省專利技術領域排名前兩位的IPC 分類號均為H01L21 和H01L29；從主要申請人來看，日本企業持有的專利數量最多，其次是美國企業，與全球和中國的主要申請人相比，福建省在該領域仍有較大發展空間。

根據對碳化硅襯底技術的專利分析，從技術優化路徑、企業培育和人才培養等方面提出了推動福建省碳化硅襯底技術發展的具體建議。在技術優化路徑上，福建省碳化硅襯底技術在全球占比較低，但在某些重點技術領域創新突出，具有一定的后發優勢，因而加強碳化硅襯底的制備方法及設備的研發投入和專利布局是福建省未來發展的重中之重。考慮加大對H01L21 和H01L29等重點技術領域的研發投入，縮小與碳化硅襯底技術重點技術領域的差距。對H01L31（對紅外輻射、光、較短波長的電磁輻射，或微粒輻射敏感的，并且專門適用于把這樣的輻射進行電能控制的半導體器件）和C30B25（反應氣體化學反應法的單晶生長）等具有一定創新實力的技術領域，可跟蹤并預警重點競爭對手的專利技術動向，分析專利風險和潛在技術切入點，提高研發起點和效率；對H01L33（至少有一個電位躍變勢壘或表面勢壘的專門用于半發射的半導體器件）和C30B29（以材料或形狀為特征的單晶或具有一定結構的均勻多晶材料）等薄弱技術領域，考慮引進國內外具有領先創新實力的企業或人才與其開展合作，研制出有競爭力的產品，為半導體產業升級轉型和長遠發展提供智力資源支撐和保障。

在企業培育方面，加大對福建省碳化硅襯底技術龍頭企業的梳理、培育和整合力度，減少低水平重復建設，提升企業自主創新能力，盡快達到行業領先水平。福建省碳化硅襯底技術領域的企業培育中高校以廈門大學為主，企業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澤科技有限公司為主要培育對象。技術引進以西安電子科技大學、西安交通大學、華南理工大學、中國電子科技集團公司第五十五研究所和中科院所為主要對象。同時，加大協同創新力度，根據實際情況進行專利協同創新、聯合引進、專利協同布局、組建知識產權聯盟等方式，支持福建省創新主體運用優勢專利資源。

在人才培養方面，可以借助本地教育優勢，鼓勵符合福建省發展目標的創新人才向關鍵技術環節積聚；支持具有創新實力、擁有核心專利技術的創新人才，加大對碳化硅襯底等寬禁帶半導體技術開發投入、稅收優惠、人才引進與培養等方面的優惠政策。