许 鲜
( 福建省知识产权保护中心， 福建 福州 350108)
宽禁带半导体是指禁带宽度在2.3 eV 及以上的半导体材料，属于第三代半导体，主要有碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和金刚石等材料，其有效弥补了前两代半导体材料在高温、高压、高速、大功率和高频等领域的不足，是常用于照明、光存储和功率器件等领域的材料[1-4]。全球碳化硅功率器件主要掌握在美国、欧洲和日本等发达国家，我国近年来陆续将第三代半导体材料列入发展计划，全面开展战略部署[4-7]。美国的碳化硅衬底和外延的产能和品质居全球首位，其通过成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”加强碳化硅晶片等第三代半导体技术的研发和产业化；
日本是碳化硅功率器件的设备和模块开发的领先者，建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”；
欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件以及应用产业链，其产学研项目“LAST POWER”致力于攻关碳化硅和氮化镓领域关键技术[8，9]。
我国早在"863" 计划中部署了多项宽禁带半导体材料及器件相关项目，并在《中国制造2025》中4 次提到了第三代半导体功率器件[9，10]。2018年国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布[10]。2021 年，我国“十四五”和中长期发展规划中明确提出大力发展宽禁带功率半导体产业，以期实现产业与世界同步和自主可控。得益于我国在宽禁带半导体功率器件领域的提前布局，国外发达国家没有形成明显的技术壁垒。我国宽禁带半导体产业已基本构建了完整的上中下游产业链，但仍面临着向应用端推广难、产品迭代慢、测试评价条件不足等共性问题，需要围绕特殊应用场景需求，重点开发基于宽禁带半导体材料和芯片的创新应用系统，推动科研创新落地。
从2016 年开始，各级政府部门陆续出台了许多指导意见和发展规划，以期能够引导中国半导体产业健康发展。福建省的“十四五”规划中提出重点发展第三代半导体芯片领域，并出台了多项政策支持宽禁带功率半导体产业的发展，使得福建第三代半导体的发展势如破竹。截至目前，总投资超550 亿元，超8 个第三代半导体项目落户福建，主要分布在厦门、福州、泉州、莆田等地区，这些地区大多出台了政策支持第三代宽禁带半导体。其中，厦门第三代半导体项目数量相对较多，支持力度也相对较大。但福建省对碳化硅等宽禁带功率半导体材料的研究起步较晚，布局较少，在向高质量发展中仍面临发展路径不明、技术升级乏力、人才缺失等问题，因此作为宽禁带半导体产业发展势头正劲的福建省，迫切需要优化宽禁带半导体产业结构，完善宽禁带半导体产业链及其协同发展、补强技术链和企业链。通过专利分析和专利布局，支持上下游产业协同和技术合作攻关，构建福建省碳化硅衬底技术的技术链延伸拓展产业链，助力福建省宽禁带半导体产业结构优化升级，支撑区域高质量发展。
本文阐述了碳化硅衬底技术的专利现状，从多个维度梳理碳化硅衬底技术专利布局优劣势，分析存在的问题，提出福建省碳化硅衬底技术专利布局优化方向和质量提升路径的对策建议。
为反映技术专利发展现状，体现专利活动与经济效益之间的关联，本文通过政策文件、技术标准、专利和非专利文献等查阅碳化硅衬底技术，对其进行技术分解，确定对照的IPC 范围，构建了碳化硅衬底技术总检索式，采用Incopat 专利数据库对碳化硅衬底技术专利进行检索。由于发明专利申请延迟公开的原因，2022 年及2023 年专利申请量低于实际申请量。
2.1 申请态势分析
1961 年至1996 年，碳化硅衬底专利申请人与专利申请数量都很少，此时碳化硅衬底技术仍处于萌芽期；
1997 年至2012 年，碳化硅衬底技术专利申请人和申请数量开始激增，并且在2012 年达到了顶峰；
此时碳化硅衬底技术进入发展期，在该阶段，基本发明朝纵向发展和横向发展，其应用发明专利逐渐出现，技术有了突破性的进展，市场扩大，介入的企业增多；
2012 年至今，碳化硅衬底相关专利申请人数量开始逐步减少，但相关专利申请量没有明显的降低趋势，此时碳化硅衬底技术可能逐步步入成熟期，这个阶段中更多的技术开始掌握于少数申请人手中，技术逐步集中，其专利技术生命周期图如图1 所示。
图1 碳化硅衬底专利技术生命周期图
碳化硅衬底专利申请趋势图如图2 所示，在1961 年至1996 年期间，碳化硅衬底相关专利在全球范围内开始缓慢发展，但整体申请量较少，均在100 件以下。1997 年开始，碳化硅衬底相关专利的申请量增长速率开始大幅提高，虽有个别年份申请量减少，但整体呈明显的上升趋势。至2015 年，碳化硅衬底相关专利的申请量达到峰值，共有649 件，2015 年后，碳化硅衬底相关专利的申请量出现一定的下降趋势，虽然在2020 年有所回升，但近两年仍为明显的下降的趋势。相较于全球而言，中国碳化硅衬底领域的发展要较为延迟。1994 年至2002 年，碳化硅衬底中国专利申请量整体数量都并不多，除1998 年外均不超过10件。至2002 年后，相关专利申请趋势开始呈明显的上升趋势，并且目前并未出现类似于全球的下降趋势。从福建来看，2006 年福建省首次出现了碳化硅衬底相关专利的申请。在2008 至2012 年期间，连续5 年没有相关专利申请，而在2014 至2020 年间该领域的专利申请呈现为稳定上升的趋势，并在2020 年达到20 件申请量的峰值。
图2 碳化硅衬底专利申请趋势图
结合图1 所示的技术生命周期图来看，全球碳化硅衬底技术虽然可能已经进入成熟期，但中国的碳化硅衬底相关技术仍处于高速发展期，对于福建省来说，碳化硅衬底相关技术的发展在全球仍处于较为落后的地位，但在未来几年中，可以预见碳化硅衬底的相关技术仍处于快速发展期。
2.2 专利地域分布分析
碳化硅衬底技术专利地域分布表如表1 所示，中国以2383 件专利数量占全球专利数量的20.7%，在全球范围内具有一定的优势。中国在碳化硅衬底技术领域位居第二，相较于排名第一的日本还存在一定的差距。在国内，北京、陕西、江苏这三个省份的碳化硅衬底技术实力明显强于其他省份及地区，其碳化硅衬底专利申请量均超过200 件。而福建省拥有相关专利64 件，在全国各省市中排名第八，与先进省份如北京、陕西、江苏存在一定差距，技术掌握较少，还有很大的发展空间。
表1 碳化硅衬底技术专利地域分布表
2.3 申请人类型分析
碳化硅衬底技术全球、中国和福建省专利排名前5 申请人如表2 所示，在全球碳化硅衬底技术专利申请人中，企业持有的专利数量最多，且四位都是日本公司，仅有克里公司这一美国申请人。日本住友公司的专利申请量位居榜首，远超全球其他申请人。在中国，有2 位日本申请人，3 位中国申请人，碳化硅衬底相关专利申请数量较多的是住友电气工业株式会社，申请量为206 件，而西安电子科技大学以195 件专利数量位居第二。在福建省内，在福建省范围内厦门市三安集成电路有限公司以14 件专利申请数量位居第一，结合全球与中国整体情况分析，福建省在该领域仍有较大的发展空间。
表2 碳化硅衬底技术全球、中国和福建省专利排名前5 申请人
2.4 技术领域分布分析
碳化硅衬底技术专利IPC 分类表如表3 所示，全球、中国和福建省专利技术领域排名前两位的均为H01L21 和H01L29，说明全球、中国和福建省都较为注重这两个技术方向的研究和创造。IPC 分类号H01L21 代表的技术方向是专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备，H01L29 其代表的技术方向主要是关于整流、放大、震荡或切换的半导体器件，或者为半导体本体或其电极的零部件。全球和中国专利技术领域分布处于前五位的分类号相同，主要 集 中 于H01L21、H01L29、C30B29、H01L33 和H01L31 等IPC 分类号，福建省与全球范围内、中国范围内的分布存在一定差异，主要集中于H01L29、H01L21、H01L31、C30B29 和H01L33 等IPC 分类号。
表3 碳化硅衬底技术专利IPC 分类（小类）表
从专利申请趋势来看，全球碳化硅衬底技术可能已经进入成熟期，但中国，特别是福建省的碳化硅衬底相关技术仍处于高速发展期，然而福建省碳化硅衬底技术的专利数量在全球和中国的占比较小，仍需持续发展；
从专利区域分布来看，福建省碳化硅衬底技术发展一般，与北京、陕西、江苏等先进省份有较大差距，技术掌握较少，仍有较大发展空间；
从专利技术分布来看，福建省与全球范围内、中国范围内的分布存在一定差异，但全球、中国和福建省专利技术领域排名前两位的IPC 分类号均为H01L21 和H01L29；
从主要申请人来看，日本企业持有的专利数量最多，其次是美国企业，与全球和中国的主要申请人相比，福建省在该领域仍有较大发展空间。
根据对碳化硅衬底技术的专利分析，从技术优化路径、企业培育和人才培养等方面提出了推动福建省碳化硅衬底技术发展的具体建议。在技术优化路径上，福建省碳化硅衬底技术在全球占比较低，但在某些重点技术领域创新突出，具有一定的后发优势，因而加强碳化硅衬底的制备方法及设备的研发投入和专利布局是福建省未来发展的重中之重。考虑加大对H01L21 和H01L29等重点技术领域的研发投入，缩小与碳化硅衬底技术重点技术领域的差距。对H01L31（对红外辐射、光、较短波长的电磁辐射，或微粒辐射敏感的，并且专门适用于把这样的辐射进行电能控制的半导体器件）和C30B25（反应气体化学反应法的单晶生长）等具有一定创新实力的技术领域，可跟踪并预警重点竞争对手的专利技术动向，分析专利风险和潜在技术切入点，提高研发起点和效率；
对H01L33（至少有一个电位跃变势垒或表面势垒的专门用于半发射的半导体器件）和C30B29（以材料或形状为特征的单晶或具有一定结构的均匀多晶材料）等薄弱技术领域，考虑引进国内外具有领先创新实力的企业或人才与其开展合作，研制出有竞争力的产品，为半导体产业升级转型和长远发展提供智力资源支撑和保障。
在企业培育方面，加大对福建省碳化硅衬底技术龙头企业的梳理、培育和整合力度，减少低水平重复建设，提升企业自主创新能力，尽快达到行业领先水平。福建省碳化硅衬底技术领域的企业培育中高校以厦门大学为主，企业以三安集成电路有限公司、瀚天天成电子科技有限公司和厦门芯光润泽科技有限公司为主要培育对象。技术引进以西安电子科技大学、西安交通大学、华南理工大学、中国电子科技集团公司第五十五研究所和中科院所为主要对象。同时，加大协同创新力度，根据实际情况进行专利协同创新、联合引进、专利协同布局、组建知识产权联盟等方式，支持福建省创新主体运用优势专利资源。
在人才培养方面，可以借助本地教育优势，鼓励符合福建省发展目标的创新人才向关键技术环节积聚；
支持具有创新实力、拥有核心专利技术的创新人才，加大对碳化硅衬底等宽禁带半导体技术开发投入、税收优惠、人才引进与培养等方面的优惠政策。