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原標(biāo)題:第三代半導(dǎo)體爆發(fā)前夜:中美第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)對(duì)比
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。在美國對(duì)我國半導(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從發(fā)展歷程來看,中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)21世紀(jì)才真正起步,較美國晚了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)銷售額來看,2020年,半導(dǎo)體行業(yè)4123億美元的全球營收中,美國公司占據(jù)47%,而中國大陸的公司只占5%,中美差距依然非常明顯。
圖2 2020年全球半導(dǎo)體行業(yè)營收各國占比
資料來源:SIA《2020年美國半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀》
③從未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看,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。在美國對(duì)我國半導(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)。我國共布局專利5232項(xiàng),專利申請(qǐng)總量略占優(yōu)勢(shì),美國稍遜一籌,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)來源:大為innojoy專利檢索系統(tǒng)
檢索日期:2021年10月8日
美國專利布局雖早于中國近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年超過美國,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,中國研發(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)新活躍度來看,C30B29和C30B25領(lǐng)域是當(dāng)前中國的研發(fā)新熱點(diǎn)。
圖6 美國涉及氮化鎵(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)來源:大為innojoy專利檢索系統(tǒng)
檢索日期:2021年10月8日
美國近幾年的專利申請(qǐng)數(shù)量以及技術(shù)創(chuàng)新活躍度均不及中國,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年專利布局情況來看,布局集中于H01L21和H01L29領(lǐng)域,與中國情況較為一致。除此之外,中國和美國在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)以及北卡羅來納州立大學(xué)為入圍申請(qǐng)人top10的兩所高校。
圖7 美國涉及氮化鎵(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)來源:大為innojoy專利檢索系統(tǒng)
檢索日期:2021年10月8日
在中國重點(diǎn)申請(qǐng)人top10中,60%的創(chuàng)新主體為高校及科研院所,這在一定程度上說明國內(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),僅略低于美國重點(diǎn)申請(qǐng)人榜首的克里公司。
圖8 中國涉及氮化鎵(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18。而中國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)了我國專利對(duì)外布局意識(shí)的薄弱,還在一定程度上說明了該領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)存在量大質(zhì)低的問題。
圖9 中美兩國涉及氮化鎵(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)來源:大為innojoy專利檢索系統(tǒng)
檢索日期:2021年10月8日
6. 未來前景分析
表1 近五年中國第三代半導(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)展方向也與美國較為一致,在H01L21和H01L29等技術(shù)領(lǐng)域中擁有高于美國的研究熱度。但同時(shí)存在專利質(zhì)量偏低的問題,后期在國家政策的大力推動(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,國際巨頭還未形成專利、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模的完全壟斷。我國在市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域有戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì),從2016年開始,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,隨著政策、技術(shù)、產(chǎn)品、企業(yè)等要素的投入,我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將迎來高速發(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。
來源:IPRdaily中文網(wǎng)(iprdaily.cn)
編輯:IPRdaily王穎 校對(duì):IPRdaily縱橫君
注:原文鏈接:第三代半導(dǎo)體爆發(fā)前夜:中美第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)對(duì)比(點(diǎn)擊標(biāo)題查看原文)
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