超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料的專利分析

摘 要：【目的】氧化鎵是一種超寬禁帶半導(dǎo)體，具有耐高壓、耐高溫、功率大、抗輻照等特性，極有可能在未來成為高功率、大電壓應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)者，在全球科研與產(chǎn)業(yè)界引起了廣泛重視。從專利角度對氧化鎵材料進行分析，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和專利布局提供參考。【方法】基于全球相關(guān)專利數(shù)據(jù)，從專利申請趨勢、專利權(quán)人排名、技術(shù)來源國、技術(shù)領(lǐng)域IPC分類等維度對氧化鎵材料進行分析。【結(jié)果】揭示了氧化鎵在不同國家/地區(qū)的競爭態(tài)勢、技術(shù)實力及我國與國際先進水平的差距。【結(jié)論】氧化鎵材料的研究主要集中在半導(dǎo)體器件及晶體生長方面，國內(nèi)相關(guān)研究起步晚，但發(fā)展迅速。

關(guān)鍵詞：超寬禁帶半導(dǎo)體；專利分析；氧化鎵；技術(shù)發(fā)展；晶體生長

中圖分類號：G306；TN304" "文獻標志碼：A" "文章編號：1003-5168（2024）10-0134-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.026

Patent Analysis of Ultra-wide Band Gap Semiconductor Gallium Oxide Material

CUI Yanjun1，2 YAN Chunguang3 NING Pingfan1，2 NIU Pingjuan1，2 LI Mingjia1

MENG Yulu1 LI Xiongjie1

（1.Tiangong" University， School of electronics amp; information engineering，Tianjin 300387，China; 2. Engineering Research Center of Ministry of" Education on High Power Solid State Lighting Application System，Tianjin 300387， China; 3.TOECSTAR Science amp; Technology Co.， Ltd. Tianjin 300111， China）

Abstract： [Purposes] Gallium oxide， which is an ultra-wide bandgap semiconductor， is expected tobecome the main force in the applications of high-power， high voltage field in the future， with the characteristics of high voltage resistance， high temperature resistance， high power， radiation resistance， etc. And it has attracted extensive attention in the global scientific research and industry. This paper analyzes gallium oxide materials from a patent perspective to provide reference for the development of related industries and patent layout. [Methods] Based on the global patent data， the gallium oxide materials were analyzed from the perspectives of patent application trend， patentee ranking， technology source country， and IPC classification in the technical field. [Findings] The research reveals the competition situation and technical strength of different countries/regions of Gallium oxide， as well as the gap between China and the international advanced level. [Conclusions] The research on gallium oxide materials mainly focuses on semiconductor devices and crystal growth. Although the domestic research started late， it has developed rapidly.

Keywords：ultra-wide bandgap semiconductor；patent analysis； gallium oxide；technology development trend；crystal growth

0 引言

作為新一代半導(dǎo)體材料的氧化鎵（Ga2O3），禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8 MV/cm）、導(dǎo)通特性幾乎是碳化硅的10倍、材料生長成本低于第三代半導(dǎo)體［1-2］。短短4～5年就已經(jīng)出現(xiàn)了高質(zhì)量的襯底和外延片，發(fā)展速度十分驚人，在紫外光通信、高頻功率器件等領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注［3-4］。氧化鎵未來極有可能成為高功率、大電壓應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)者，用來制造電動汽車和其他（包括軍事）領(lǐng)域所需的更高效的功率器件［5-6］。我國超2/3的半導(dǎo)體產(chǎn)品依賴進口，氧化鎵的出現(xiàn)，是國內(nèi)市場的一次機遇，有望擊碎“卡脖子”的現(xiàn)狀。當(dāng)前，美國、日本、歐洲、韓國、中國等國家及地區(qū)都在開發(fā)氧化鎵晶圓和器件［7-11］。

專利承載著技術(shù)、法律、市場等多方面的信息，分析某一技術(shù)領(lǐng)域的專利數(shù)據(jù)，了解該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，掌握技術(shù)趨勢，能體現(xiàn)出機構(gòu)的創(chuàng)新能力［12-13］。基于美國專利數(shù)據(jù)庫、國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫、himmpat專利數(shù)據(jù)庫的專利檢索，本研究對氧化鎵領(lǐng)域?qū)＠M行分析。檢索中篩選掉了氧化鎵納米材料及氧化鎵熒光粉、氧化鎵陶瓷材料相關(guān)的專利，檢索截止日期為2023年的4月30日。采用多次補充檢索以及內(nèi)容篩選的方式，確保檢索數(shù)據(jù)的全面性和準確性。對于數(shù)據(jù)庫中以同一專利族出現(xiàn)的“多件”專利文獻，計算為“1項”；每1項專利的申請日按照該項技術(shù)的最早公開日計算。

1 全球?qū)＠暾堏厔?/p>

全球涉及氧化鎵的相關(guān)專利為1 626件。最早的專利出現(xiàn)在1960年，涉及氧化鎵單晶生長，由美國貝爾實驗室BELL TELEPHONE LABOR INC申請；進入20世紀90年代，德國卡爾蔡司公司 （ZEISS CARL FA）、美國電話電報公司（ATamp;T Corp，前身為貝爾實驗室）等開始采用電子束蒸發(fā)及氣相沉積技術(shù)進行氧化鎵薄膜的制備。最早的國內(nèi)申請人是中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所，申請了名為“LiGaO2/β－Ga2O3復(fù)合襯底材料的制備方法（CN200410067127.1）”的專利，得到的是LiGaO2/β－Ga2O3復(fù)合襯底材料，克服了α－Al2O3襯底晶格失配度大和難以獲得大尺寸高質(zhì)量LiGaO2單晶襯底等問題，可用于高質(zhì)量InN－GaN薄膜外延生長；之后申請了“GaN/β－Ga2O3復(fù)合襯底的材料及其制備方法（CN200510025799.0）”，在β－Ga2O3單晶上設(shè)有一層GaN覆蓋層構(gòu)成，再通過退火工藝處理，在β－Ga2O3單晶襯底得到晶化的GaN薄膜。2009年，魯東大學(xué)申請了“在平板玻璃上沉積多晶β-Ga2O3薄膜的方法（CN200910229435.2）”的專利，以Ga2O3粉末經(jīng)壓片、燒結(jié)獲得的塊體材料為靶材，在溫度為室溫的玻璃襯底上利用射頻磁控濺射技術(shù)制備多晶結(jié)構(gòu)的β-Ga2O3薄膜。2015年，西安電子科技大學(xué)申請了“基于MgO襯底的氧化鎵薄膜及其生長方法（CN201510398366.3）”，MgO襯底與氧化鎵外延層之間設(shè)有5～10 nm的氧化鎵緩沖層，并利用熱退火提高氧化鎵緩沖層的結(jié)晶質(zhì)量，降低了Ga2O3薄膜表面的粗糙度，改善了Ga2O3薄膜的表面形貌，增大了Ga2O3晶粒尺寸，可用于制作半導(dǎo)體功率器件。

近30年全球?qū)＠甓壬暾埩口厔萑鐖D1所示。由圖1可知，申請量逐年快速遞增。2013年申請專利40件，2022年申請專利219件（因?qū)＠紩r間所限，2022—2023年的專利申請數(shù)據(jù)不完整），年均復(fù)合增長率達到20.7%。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，同期碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）相關(guān)專利的年均復(fù)合增長率只有3.62%，說明氧化鎵相關(guān)技術(shù)在快速發(fā)展。

近30年主要國家/地區(qū)申請量趨勢如圖2所示。美國自1994年開始擁有專利申請；中國雖然起步比較晚，2000年才開始有專利申請，但是發(fā)展迅速，2015年追上日本，之后一直領(lǐng)先，成為申請量最多的國家。說明中國創(chuàng)新主體知識產(chǎn)權(quán)保護意識增強，同時各國看好中國氧化鎵市場發(fā)展，注重氧化鎵相關(guān)技術(shù)在中國的市場布局。

2 專利權(quán)人分析

全球?qū)＠暾埛秶鷥?nèi)相關(guān)技術(shù)的主要專利權(quán)人及其專利申請量如圖3所示。從圖3可以看出，在申請量前十位中，中國的高校、研究院所及企業(yè)占據(jù)5席，分別排在第2、3、4、5、7位；日本的高校、研究院所及企業(yè)占5席，分別排在第1、6、8、9、10位。擁有專利數(shù)量最多的是日本的株式會社田村制作所（187件），其次是中國的西安電子科技大學(xué)（134件）。

經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，氧化鎵相關(guān)已授權(quán)且在有效期內(nèi)的專利共549件。以第一專利權(quán)人角度統(tǒng)計，排名前15位的專利權(quán)人如圖4所示。排在第1位的是日本企業(yè)株式會社田村制作所（62件），其次分別是西安電子科技大學(xué)（30件）、中國科學(xué)院（27件）。

3 技術(shù)來源國分析

技術(shù)來源國分析如圖5所示。在氧化鎵技術(shù)領(lǐng)域，中國、日本、美國、韓國、德國、法國、瑞典等國家/地區(qū)是主要的技術(shù)來源國。中國是第一大技術(shù)來源國，申請人所在國為中國的專利達到885件，占全球?qū)＠偵暾埩康?4.4%；其次是日本（480件），占全球?qū)＠偵暾埩康?9.5%；排名第3到第5的是美國、韓國、德國，較排名前兩位國家的專利申請量差距均較大。這說明，在氧化鎵領(lǐng)域，中國在專利申請量上處于領(lǐng)先地位，是最大的技術(shù)來源國。

4 技術(shù)構(gòu)成分析

Ga2O3 相關(guān)專利在IPC部的分布如圖6所示。Ga2O3 相關(guān)專利在IPC部的分布共涉及A、B、C、F、G、H6個部，主要集中在H部“電學(xué)”（736項），C部“化學(xué)、冶金”（725項），兩部合計占比達到89.8%；分布在40個類中，主要集中在H01類“基本電氣元件”（733項），C30類“晶體生長”（483項），C01類“無機化學(xué)”（96項），C23類“對金屬材料的鍍覆；用金屬材料對材料的鍍覆；表面化學(xué)處理；金屬材料的擴散處理；真空蒸發(fā)法、濺射法、離子注入法或化學(xué)氣相沉積法的一般鍍覆；金屬材料腐蝕或積垢的一般抑制”（93項），四類合計占比達到86.40%。

相關(guān)專利申請量前十的IPC子類分布如圖7所示。由圖7可知，主要集中在H01L“半導(dǎo)體器件；其他類目中不包括的電固體器件”（715項），C30B“單晶生長；共晶材料的定向凝固或共析材料的定向分層；材料的區(qū)熔精煉；單晶或具有一定結(jié)構(gòu)的均勻多晶材料；單晶或具有一定結(jié)構(gòu)的均勻多晶材料之后處理；其所用的裝置”（483項），C23C“對金屬材料的鍍覆；用金屬材料對材料的鍍覆；表面擴散法，化學(xué)轉(zhuǎn)化或置換法的金屬材料表面處理；真空蒸發(fā)法、濺射法、離子注入法或化學(xué)氣相沉積法的一般鍍覆”（92項），C01G“含有不包含在C01D或C01F小類中之金屬的化合物”（79項），四類合計占比達到84.19%。相關(guān)申請專利前十的IPC子類注釋見表1。

5 結(jié)論

全球氧化鎵材料及器件的專利主要集中在美國、日本、中國、韓國，申請趨勢逐年上升，目前處于爆發(fā)階段。我國雖然起步較晚，技術(shù)力量薄弱，但后來居上，在國家政策支持和產(chǎn)業(yè)需求帶動下，專利申請量一直快速增長。但從創(chuàng)新主體專利申請量、授權(quán)量方面看，需要加強產(chǎn)學(xué)研合作，推動高校、科研院所和企業(yè)的技術(shù)交流，充分發(fā)揮創(chuàng)新資源的優(yōu)勢，增強創(chuàng)新活力，加速實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

參考文獻：

［1］何云龍，洪悅?cè)A，王羲琛，等. 氧化鎵材料與功率器件的研究進展［J］.電子與封裝，2023，23（1）：69-76.

［2］王歌，楊帆，王方圓，等.氧化鎵基肖特基勢壘二極管的研究進展［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2022，47（12）：946-955.

［3］馬艷秀，王順利，胡海爭.基于氧化鎵探測器的日盲紫外光通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2023，49（6）：745-754.

［4］許育.氧化鎵霧化化學(xué)沉積外延生長及器件研究［D ］.西安：西安電子科技大學(xué)，2022.

［5］中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所.氧化鎵半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、垂直型氧化鎵基功率器件及制備方法： 201911174463.9［P］.2020.06.02.

［6］西安電子科技大學(xué).一種低開啟電壓的氧化鎵肖特基二極管制備方法： 202110870270.8［P］. 2021.11.02.

［7］許子皓.氧化鎵：寬禁帶半導(dǎo)體新勢力［N］.中國電子報，2022-04-22（008）.

［8］許子皓. 日本研制成功氧化鎵結(jié)晶新技術(shù)［N］.中國電子報，2022-04-29（007）.

［9］西安電子科技大學(xué)在超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵功率器件研究方面取得重要進展［J］.陜西教育（高教） ，2022（10）：9.

［10］張巧琴.浙大杭州國際科創(chuàng)中心：勇立創(chuàng)新潮頭 澎湃制勝動能［J］.今日科技，2022（11）：36-37.

［11］氧化鎵半導(dǎo)體器件領(lǐng)域研究取得重要進展［J］.河南科技，2022，41（24）：2.

［12］李秾，金言，袁芳，等.第三代半導(dǎo)體器件專利分析［J］.情報工程，2019，5（4）：114-126.

［13］吳菲菲，張亞茹，黃魯成，等.基于專利的氧化鋅寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)中外比較［J］.情報雜志，2015， 34（11）：62-68.

（欄目編輯：劉靜雅）