第三代半导体全球专利分析

2019年08月29日09:04  来源:中国知识产权报
 
原标题:第三代半导体全球专利分析

第三代半导体为近年新兴的技术,主要聚焦于碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体新材料领域的突破性技术发展以及新材料器件研发。

基于行业发展需求,本文对第三代半导体产业专利状况从全球整体态势、碳化硅和氮化镓关键技术、英飞凌和科锐等典型企业专利布局及运用策略、美国政府资助项目知识产权产出机制等方面进行研究。

20世纪初出现第三代半导体相关专利申请,大约在2000年以后,相关专利申请开始进入快速增长阶段。美国早期领衔全球专利增长,2010年前后我国的申请量首次超过美国。美国、日本、中国、韩国、德国等国家或地区相关专利申请量增长较快。

截至2018年9月30日,第三代半导体产业专利总量约为8.751万件。碳化硅、氮化镓、其他金属氧化物三种主要材料申请数量较为接近;其中碳化硅材料功率半导体和器件工艺较为热门,氮化镓材料外延生长和光电子比重较大。

氮化镓关键技术

氮化镓具有大禁带宽度、高电子饱和速率、高击穿电场、较高热导率、耐腐蚀以及抗辐射等优点,又与现有硅半导体工艺兼容性强,在降低成本方面显示更大的潜力。涉及氮化镓器件制备的技术演进主要从衬底技术、结构、设备等方面进行分析。

在氮化物同质衬底技术方面,三菱公司提出改进品质和厚度的GaN单晶制造法(公开号:JPH07165498A)和具有低位错密度的氮化镓族晶体基底部及用途;LG公司则优化了快速形成单晶GaN半导体衬底的方法(公开号:KR1019990001289A);住友公司利用磨削将在表面上具有C面的氮化物半导体衬底的表面加工为面粗糙度Rms5nm~200nm(公开号:JP2005112641A);索尼公司改进了蓝宝石衬底蚀刻方法(公开号:JPH1145892A)。

在氮化镓器件结构方面,日亚化学在氮化镓基化合物半导体表面设置缓冲层以提高结晶度(公开号:JPH04297023A);NEC公司使氮化镓晶体薄膜具有形成条纹的掩模图案(公开号:JP2000349338A);科锐公司提出在天然氮化物晶种上由III-V族氮化物刚玉(坯料)高速气相生长形成刚玉,可以得到用于制作微电子器件结构的晶片(公开号:WO0168955A1);科锐公司提出含有AlxGayInzN的高质量晶片在于均方根表面粗糙度小于1nm(公开号:WO02101121A1);住友公司提出包括低位错单晶区(Z)、C面生长区(Y)、庞大缺陷积聚区(H)和0.1/cm2至10/cm2的c轴粗大核区(F)低变形的氮化镓晶体衬底(公开号:JP2003165799A)以及一种低缺陷晶体区和缺陷集中区从主表面延伸到位于主表面的反向侧的后表面、面方向相对于主表面的法线矢量在偏斜角方向上倾斜的GaN衬底(公开号:JP2009152511A);通用公司提出一种直径至少约2.75毫米、位错密度低于约104cm-1并基本不含倾斜晶界的GaN单晶(公开号:WO2004061923A1)。

在氮化镓器件制备设备技术上,波士顿大学设计一种通过外部磁铁和/或出口孔径控制原子氮物质和离子氮物质的量达到衬底外延生长系统(公开号:WO9622408A2);理光公司改进了一种制造块状晶体的GaN单晶衬底的碱反应容器(公开号:JP2001058900A);大阪产业振兴机构使用将含氮气体通入反应器中由此使得在熔剂中的第III族元素和氮互相反应的、高产量地制备高质量的、大的和整块第III族元素氮化物单晶的设备(公开号:WO2004083498A1)。

在氮化镓外延生长方面,基于同质衬底生长,三星公司提出一种以高生长速率生长高质量氮化镓(GaN)膜的方法(公开号:KR1020000055374A);住友公司提出气相成长的成长表面(C面)不是平面状态而形成具有三维的小面结构单晶体GaN的结晶成长方法(公开号:JP2001102307A);住友公司提出一种可以收取氧作为n型掺杂剂的氮化镓单晶的成长方法(公开号:JP2002373864A);法国国家科学研究中心提出通过在牺牲层上的异质外延制造包含Ⅲ氮化物的自承基材的方法(公开号:WO2005031045A2)。

基于异质衬底生长,北卡罗莱纳州立大学提出氮化镓层在蓝宝石基体上的悬挂外延生长(公开号:WO0137327A1);NEC和日立公司提出一种具有缺陷密度低、弯曲小的Ⅲ族氮化物半导体衬底的制造方法(公开号:JP2003178984A);加州大学和独立行政法人科学技术振兴机构提出用于在斜切尖晶石衬底上生长平坦半极性氮化物薄膜的方法(公开号:JP2005522888A);应用材料公司提出具有高晶格失配的材料的异质外延生长(公开号:WO2015167682A1)。

横向生长技术上,丰田公司提出在底衬底上形成多个突起部并利用晶体横向生长的习性生长半导体晶体层(公开号:WO02064864A1);三星公司提出先在GaN衬底上形成凹凸部分,然后以快致横向生长的GaN薄膜覆盖垂直生长的GaN薄膜,在GaN衬底上形成GaN薄膜的方法(公开号:KR1020020080743A)。

在气相沉积的改进方面,技术与设备国际公司提出一种改性HVPE方法用于达到低缺陷密度(公开号:WO03006719A1);应用材料公司提出利用MOCVD及HVPE抑制在III-V氮化物薄膜生长中的寄生微粒(公开号:US20070259502A1)以及通过混合气相外延工艺形成III-V族材料的方法(公开号:WO2009046261A1);加州大学提出使用有机金属化学气相沉积来生长诸如m–平面氮化镓(GaN)磊晶层之平面、非极性m–平面III–氮化物材料的方法(公开号:WO2006130622A2)以及利用MOCVD生长的GaN薄膜平滑、高品质薄膜的异质磊晶生长方法(公开号:WO2008060349A2)和先使用MOCVD进行第一生长,再使用不同生长方法进行再生长的制造氮化物半导体器件的方法(公开号:WO2017011387);三菱公司提出利用HVPE制造具有较高热传导率之GaN系材料的方法(公开号:WO2007119319A1);东京电子提出用于使薄膜选择性地沉积在露出有绝缘膜和导电膜的基底上的选择性沉积方法(公开号:JP2018170409A)。

英飞凌专利布局及运用策略

英飞凌前身为西门子集团的半导体部门,目前是全球领先的半导体公司之一。英飞凌在氮化镓和碳化硅材料的专利整体均呈现平稳的增长,2011年开始该两种材料领域的专利急速增长并在2015年达到顶峰,技术步入成熟期。

英飞凌专利布局区域主要集中在美、德、中、日。另外在欧洲亦有相当数量的申请。剩下的申请则在韩国和澳大利亚。其中,英飞凌在美国和德国的专利数量尤为领先。在中国的专利数量也相当可观,排在美、德之后。

英飞凌技术分支专利布局情况,其技术分支主要为碳化硅单晶生长、碳化硅衬底加工、碳化硅外延生长、碳化硅器件工艺和碳化硅封装,氮化镓异质衬底、氮化镓同质衬底、氮化镓外延生长和氮化镓芯片封装。在全球范围,其在碳化硅器件工艺、氮化镓封装和氮化镓外延生长的申请量较高,分别为165件、101件和82件,在剩下几个领域的申请量则较低,皆在40件以下。在中国,其在氮化镓同质衬底、氮化镓封装和碳化硅器件工艺领域的申请量稍高,为70件、58件和46件,其余领域的申请量较低。

英飞凌的专利运营策略主要具有以下特点:

一是高度重视专利布局时机的把握。专利布局时机节奏感强,根据产业发展速度提前进行阶段性集中布局。在2004年和2015年左右出现两个较为集中的布局高峰期,期间有近十年的时间处于布局低谷期,这说明英飞凌一般会在技术获得重大突破后进行专利布局,并会根据产业发展的速度进行调整。

二是高度重视目标市场专利布局,英飞凌专利布局的大本营是美国。通过分析可以发现,从各个技术分支的主要布局的国家或地区看,英飞凌在美国的专利布局数量都是最多的,一方面说明美国是极其重要的目标市场,另一方面也说明英飞凌市场导向的布局原则非常明显。

三是高度重视技术研发团队的布局引领作用。通过对英飞凌发明人团队的分析可以发现,碳化硅领域排名前十的发明人包揽了英飞凌几乎80%的发明专利,这说明研发团队的领导者对专利申请具有非常重要的贡献和引领作用,同时也说明英飞凌有较好的激励研发团队进行专利布局的激励和管理机制。

四是高度重视技术研发合作和技术成果流动。英飞凌和上游下游厂商合作都很密切。通过转让数据可以看出,英飞凌向外转让的专利数量大于从外部获得专利数量,说明英飞凌研发实力较强,能够对上下游厂商形成有效的技术支撑,同时也非常重视从外部引用专利,完善自身产品的专利布局。

美国政府资助项目 知识产权产出机制

自1987年美国政府以年预算补贴10亿美元资助14家美国半导体企业组成Sematech联盟以来,美国政府始终不遗余力地增加对半导体、人工智能等新兴技术及产业的投入,以期开创下一个十年乃至百年的领先。美国国家“电子复兴计划“(ERI)已公开的一部分内容显示,整个项目资金已经达到22.5亿美元,将专注于开发用于电子设备的新材料、将电子设备集成到复杂电路中的新体系结构以及进行软硬件设计上的创新。该计划是为了补充之前致力于加速电子技术和电路及子系统的生产力增长和性能提升的“联合大学微电子学计划”(JUMP)。相对于JUMP,ERI更加实际,也更接近产业,预期的商业和国防利益将在2025年至2030年实现。

成立于1987年的科锐,1993年在美国纳斯达克上市。上市前后科锐开始参与美国政府资助项目。从项目资助的来源看,海军和空军相关部门是科锐公司参与政府资助项目的主要来源,SDIO(战略防御计划组织)也对科锐公司进行了项目资助。这一方面说明这两个部门更看重碳化硅领域的技术创新,另一方面也说明美国政府部门之间在同一技术领域的资助合作效率高,不会相互排斥。

从合同持续的时间来看,科锐公司持续10余年一直在碳化硅领域参与政府资助项目。这一方面说明科锐公司完成政府项目的质量较好得到了持续的认可,另一方面也说明美国政府资助项目在某一技术领域的资助可持续性比较好,能够给资助项目的承包方较好的项目预期。

从合同承包方来看,科锐公司在大部分情况下都能独立承担政府资助项目,也有和ABB这样的行业巨头共同承担项目合同的情况。这一方面说明科锐的技术研发创新能力得到了同业巨头的认可,另一方面也说明美国政府资助项目发包机制比较灵活,可以根据具体事项采用独家承担或者多家合作承担,同时项目管理能力较高。

从合同发布的间隔时间来看,有近10年的中断间隔,在特定的年份会加大项目,例如2004年累计发布4个项目。说明美国政府资助项目的管理方对资助资源也有严格的风险评估机制,在条件不成熟的情况下,会果断暂时搁置资助项目,在条件成熟时,会果断加大资助力度,促成关键技术突破,助推其尽快实现产业化。

从各个合同产出的专利数量看,出于推动产业发展的目的,每一个合同项目基本都会有专利产出。在具体的数量上,美国政府资助项目并未机械地制定专利产出具体指标,而是通过设定可专利的技术创新成果的评价机制,合理把控技术秘密和专利的边界,实现资助项目长期价值最大化。

从各个合同产出的专利的时间看,一般每个合同项目在项目结束后都会有专利产出,短则一年长则三年,专利产出的持续时间较长。结合合同里知识产权条款可以发现,每个合同的专利产出机制主要是通过责任义务和权利分享机制来积极推动专利的产出和产业化。(国家知识产权局专利分析普及推广项目第三代半导体课题组)

(责编:林露、吕骞)