黑硅技术的专利分析

■ 姚日英■ 宫龙飞

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心苏州协鑫光伏科技有限公司

黑硅技术的专利分析

■ 姚日英*■ 宫龙飞

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心苏州协鑫光伏科技有限公司

针对黑硅技术进行专利技术综述分析，对国内外专利申请情况进行梳理，为国内黑硅技术研究发展提供参考。

黑硅；飞秒激光；离子束刻蚀；金属诱导辅助；电化学；专利分析

0　引言

黑硅由于具有特殊的表面结构而显示出无比的吸光优越性，它对近紫外-近红外波段的光（0.25 ～2.5 µm）几乎全部吸收，这使得黑硅在太阳电池和MEMS光电传感器等领域具有极好的应用前景并成为研究热点。1998年，哈佛大学Eric Mazur教授和他的研究生Wu［1］，在实验中通过飞秒激光束照射硅片而获得一种表面形成有序微结构的材料——黑硅，并发现这种微结构对太阳光的反射率极低，从而开启了对黑硅的广泛研究。常见的黑硅材料有多种表面结构，如柱状阵列结构［2］、孔状阵列结构［3］、絮状结构［4］等，所有的结构都表明只要其陷光能力强，硅片的表面皆可呈现出黑色的形貌，这也是黑硅名字的由来。

1　黑硅专利技术的整体申请情况

1.1专利申请量趋势分析

文章以关键词结合分类号的方式，分别在中文数据库CNABS，外文数据库VEN、USTXT、EPTXT、WOTXT进行检索，检索时间截止至2015年5月30日。

图1中，在华专利申请是指国内外申请人在中国的专利申请，可以看出，在华专利申请趋势与全球专利申请的趋势保持一致，大致分为2个阶段，即以2008年为分界点，2008年之前处于萌芽阶段，2008年之后出现了黑硅专利申请的爆发阶段。1998年，哈佛大学发现黑硅优越的光吸收性能后，在美国军方的资助下秘密研究了近10年。在此阶段，黑硅技术并未引起足够重视，仅处于萌芽阶段。2008年，哈佛大学向SiOnyx公司提供了“黑硅”材料的专利授权，SiOnyx将“黑硅”商用化，实现了黑硅光电探测器的产业化。这一消息使得黑硅技术的光明前景从一种可能性转变成现实，因此很快受到世界各国的重视，纷纷开展相关研究。因而这一时期较前一阶段的申请量出现明显的增长。特别是中国申请量，实现了从零到有、赶超美国的井喷局面，申请量占据全球的一半以上。而2014年全球申请量和在华申请量的下降，则可能与部分专利未公开有关，在此不作为主要数据分析的基础。

图1　黑硅技术在全球及在华专利申请趋势

1.2专利申请技术分支分布

通过对黑硅技术在华专利申请的技术分支进行统计（如图2所示）可以看出，目前制备黑硅的主流工艺有4种，分别是金属诱导辅助化学腐蚀法、飞秒激光刻蚀法、反应离子束刻蚀法（RIE）和电化学法。具体来说，近一半的研究采用金属诱导辅助化学腐蚀法，这是由于化学腐蚀设备成本较低，效率高，可实现大面积黑硅的制备，适合大规模产业化生产，这对极为重视生产成本的太阳电池产业来说是极有吸引力的，因此成为国内的研究热点。另外，飞秒激光刻蚀法和反应离子束刻蚀法的占比分别排第2、第3位，两者比重接近，这是因为两者相对于金属诱导辅助化学腐蚀法而言，都属于“干”法制备，不需要与溶液接触，这与很多器件的制备工艺更兼容，适用于研究及小批量的制备，因此也是研究的主要方向。而电化学法比金属诱导辅助化学腐蚀法的成本高、工艺繁琐，表面结构的可控性也一般，因此是4种技术中发展最缓慢的，其申请量也极少。

图2　在华专利申请技术分支分布图

1.3专利申请的申请人分布

对国内外关于黑硅专利的申请人进行统计（如图3所示）后发现，中国申请人中，约85%的申请来自于高校及研究院等科研单位，而企业的申请量仅占约13%。中国高校及研究院的申请人中，大部分高校或研究院的申请量在3件以下，申请量在8件以上的仅有中国科学院微电子研究所、电子科技大学和中国科学院半导体研究所；而中国的企业申请人中没有代表性的申请人，且申请量普遍较少；而来自企业的国外申请人占比约为50.9%，远高于来自企业的中国申请人的占比，这说明我国黑硅技术要实现市场化还需要做大量的工作和努力，同时，高校等科研院所的技术转化还需要加强力度。在今后的发展中，国内该领域的申请人也应多研究和借鉴前沿技术，加强专利布局，重视核心技术的外围开发，以增强我国技术的竞争实力。

图3　国外和中国申请人类型分布

2　结束语

文章通过对国内外黑硅技术领域专利申请的分析，能够清晰和准确地显示现有技术的发展状况，为我国相关领域企业、科研院所等的研发提供一定的参考和借鉴。

［1］ Her T H， Finlay R J， Wu C， et al. Microstructuring of silicon with femtosecond laser pulses［J］. Applied Physics Letters， 1998，73（12）: 1673-1675.

［2］ Halbwax M， Sarnet T， Delaporte P， et al. Micro and nanostructuration of silicon by femtosecond laser: Application to silicon photovoltaic cells fabrication［J］. Thin Solid Films， 2008， 516（20）: 6791-6795.

［3］ Kurek A， Barry S T. Metal-assisted chemical etching using sputtered gold: a simple route to black silicon［J］. Science and Technology of Advanced Materials， 2011，12（4）: 320.

［4］ Huang Zhipeng， Geyer N， Werner P， et al. Metal-assisted chemical etching of silicon: A review［J］. Advanced Materials，2011， 23（2）: 285-308.

2015-08-07

姚日英（1981—），女，硕士，主要从事电学发明审查部半导体领域的专利实质审查。yaoriying@aliyun.com