超宽禁带半导体氧化镓材料的专利分析

摘 要：【目的】氧化镓是一种超宽禁带半导体，具有耐高压、耐高温、功率大、抗辐照等特性，极有可能在未来成为高功率、大电压应用领域的主导者，在全球科研与产业界引起了广泛重视。从专利角度对氧化镓材料进行分析，为相关产业的发展和专利布局提供参考。【方法】基于全球相关专利数据，从专利申请趋势、专利权人排名、技术来源国、技术领域IPC分类等维度对氧化镓材料进行分析。【结果】揭示了氧化镓在不同国家/地区的竞争态势、技术实力及我国与国际先进水平的差距。【结论】氧化镓材料的研究主要集中在半导体器件及晶体生长方面，国内相关研究起步晚，但发展迅速。

关键词：超宽禁带半导体；专利分析；氧化镓；技术发展；晶体生长

中图分类号：G306；TN304" "文献标志码：A" "文章编号：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

作为新一代半导体材料的氧化镓（Ga2O3），禁带宽度大（4.8 eV）、临界击穿场强高（8 MV/cm）、导通特性几乎是碳化硅的10倍、材料生长成本低于第三代半导体［1-2］。短短4～5年就已经出现了高质量的衬底和外延片，发展速度十分惊人，在紫外光通信、高频功率器件等领域得到了越来越多的关注［3-4］。氧化镓未来极有可能成为高功率、大电压应用领域的主导者，用来制造电动汽车和其他（包括军事）领域所需的更高效的功率器件［5-6］。我国超2/3的半导体产品依赖进口，氧化镓的出现，是国内市场的一次机遇，有望击碎“卡脖子”的现状。当前，美国、日本、欧洲、韩国、中国等国家及地区都在开发氧化镓晶圆和器件［7-11］。

专利承载着技术、法律、市场等多方面的信息，分析某一技术领域的专利数据，了解该领域的技术发展现状，掌握技术趋势，能体现出机构的创新能力［12-13］。基于美国专利数据库、国家知识产权局专利数据库、himmpat专利数据库的专利检索，本研究对氧化镓领域专利进行分析。检索中筛选掉了氧化镓纳米材料及氧化镓荧光粉、氧化镓陶瓷材料相关的专利，检索截止日期为2023年的4月30日。采用多次补充检索以及内容筛选的方式，确保检索数据的全面性和准确性。对于数据库中以同一专利族出现的“多件”专利文献，计算为“1项”；每1项专利的申请日按照该项技术的最早公开日计算。

1 全球专利申请趋势

全球涉及氧化镓的相关专利为1 626件。最早的专利出现在1960年，涉及氧化镓单晶生长，由美国贝尔实验室BELL TELEPHONE LABOR INC申请；进入20世纪90年代，德国卡尔蔡司公司 （ZEISS CARL FA）、美国电话电报公司（ATamp;T Corp，前身为贝尔实验室）等开始采用电子束蒸发及气相沉积技术进行氧化镓薄膜的制备。最早的国内申请人是中国科学院上海光学精密机械研究所，申请了名为“LiGaO2/β－Ga2O3复合衬底材料的制备方法（CN200410067127.1）”的专利，得到的是LiGaO2/β－Ga2O3复合衬底材料，克服了α－Al2O3衬底晶格失配度大和难以获得大尺寸高质量LiGaO2单晶衬底等问题，可用于高质量InN－GaN薄膜外延生长；之后申请了“GaN/β－Ga2O3复合衬底的材料及其制备方法（CN200510025799.0）”，在β－Ga2O3单晶上设有一层GaN覆盖层构成，再通过退火工艺处理，在β－Ga2O3单晶衬底得到晶化的GaN薄膜。2009年，鲁东大学申请了“在平板玻璃上沉积多晶β-Ga2O3薄膜的方法（CN200910229435.2）”的专利，以Ga2O3粉末经压片、烧结获得的块体材料为靶材，在温度为室温的玻璃衬底上利用射频磁控溅射技术制备多晶结构的β-Ga2O3薄膜。2015年，西安电子科技大学申请了“基于MgO衬底的氧化镓薄膜及其生长方法（CN201510398366.3）”，MgO衬底与氧化镓外延层之间设有5～10 nm的氧化镓缓冲层，并利用热退火提高氧化镓缓冲层的结晶质量，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，可用于制作半导体功率器件。

近30年全球专利年度申请量趋势如图1所示。由图1可知，申请量逐年快速递增。2013年申请专利40件，2022年申请专利219件（因专利公布时间所限，2022—2023年的专利申请数据不完整），年均复合增长率达到20.7%。经检索发现，同期碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）相关专利的年均复合增长率只有3.62%，说明氧化镓相关技术在快速发展。

近30年主要国家/地区申请量趋势如图2所示。美国自1994年开始拥有专利申请；中国虽然起步比较晚，2000年才开始有专利申请，但是发展迅速，2015年追上日本，之后一直领先，成为申请量最多的国家。说明中国创新主体知识产权保护意识增强，同时各国看好中国氧化镓市场发展，注重氧化镓相关技术在中国的市场布局。

2 专利权人分析

全球专利申请范围内相关技术的主要专利权人及其专利申请量如图3所示。从图3可以看出，在申请量前十位中，中国的高校、研究院所及企业占据5席，分别排在第2、3、4、5、7位；日本的高校、研究院所及企业占5席，分别排在第1、6、8、9、10位。拥有专利数量最多的是日本的株式会社田村制作所（187件），其次是中国的西安电子科技大学（134件）。

经检索发现，氧化镓相关已授权且在有效期内的专利共549件。以第一专利权人角度统计，排名前15位的专利权人如图4所示。排在第1位的是日本企业株式会社田村制作所（62件），其次分别是西安电子科技大学（30件）、中国科学院（27件）。

3 技术来源国分析

技术来源国分析如图5所示。在氧化镓技术领域，中国、日本、美国、韩国、德国、法国、瑞典等国家/地区是主要的技术来源国。中国是第一大技术来源国，申请人所在国为中国的专利达到885件，占全球专利总申请量的54.4%；其次是日本（480件），占全球专利总申请量的29.5%；排名第3到第5的是美国、韩国、德国，较排名前两位国家的专利申请量差距均较大。这说明，在氧化镓领域，中国在专利申请量上处于领先地位，是最大的技术来源国。

4 技术构成分析

Ga2O3 相关专利在IPC部的分布如图6所示。Ga2O3 相关专利在IPC部的分布共涉及A、B、C、F、G、H6个部，主要集中在H部“电学”（736项），C部“化学、冶金”（725项），两部合计占比达到89.8%；分布在40个类中，主要集中在H01类“基本电气元件”（733项），C30类“晶体生长”（483项），C01类“无机化学”（96项），C23类“对金属材料的镀覆；用金属材料对材料的镀覆；表面化学处理；金属材料的扩散处理；真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆；金属材料腐蚀或积垢的一般抑制”（93项），四类合计占比达到86.40%。

相关专利申请量前十的IPC子类分布如图7所示。由图7可知，主要集中在H01L“半导体器件；其他类目中不包括的电固体器件”（715项），C30B“单晶生长；共晶材料的定向凝固或共析材料的定向分层；材料的区熔精炼；单晶或具有一定结构的均匀多晶材料；单晶或具有一定结构的均匀多晶材料之后处理；其所用的装置”（483项），C23C“对金属材料的镀覆；用金属材料对材料的镀覆；表面扩散法，化学转化或置换法的金属材料表面处理；真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆”（92项），C01G“含有不包含在C01D或C01F小类中之金属的化合物”（79项），四类合计占比达到84.19%。相关申请专利前十的IPC子类注释见表1。

5 结论

全球氧化镓材料及器件的专利主要集中在美国、日本、中国、韩国，申请趋势逐年上升，目前处于爆发阶段。我国虽然起步较晚，技术力量薄弱，但后来居上，在国家政策支持和产业需求带动下，专利申请量一直快速增长。但从创新主体专利申请量、授权量方面看，需要加强产学研合作，推动高校、科研院所和企业的技术交流，充分发挥创新资源的优势，增强创新活力，加速实现跨越式发展。

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（栏目编辑：刘静雅）