氮化镓半导体材料发展现状

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1、氮化镓半导体材料发展现状氮化镓基半导体材料是继硅和砷化镓基材料后的新一代半导体材料，被称 为第三代半导体材料，它具有宽的带隙，优异的物理性能和化学性能，在光电子 领域具有广泛的应用前景和研究价值。用GaN基高效率蓝绿光LED制作的超大屏全色显示，可用于室内室夕b各 种场合的动态信息显示。作为新型高效节能固体光源，高效率白光LED使用寿 命超过10万小时，可比白炽灯节电510倍，达到节约资源、减少环境污染的 双重目的。GaN基LED的成功，引发了光电行业中的革命，发出蓝光和紫外线 的氮化镓激光器也被用于高密度的DVD内，大大促进了音乐、图片和电影存储 技术的发展。利用GaN材料，还可以制备紫外光

2、探测器，它在火焰传感、臭氧 检测、激光探测器等方面具有广泛应用。在电子器件方面，利用GaN材料，可以制备高频、大功率电子器件，有 望在航空航天、高温辐射环境、雷达与通信等方面发挥重要作用。例如在航空航 天领域，高性能的军事飞行装备需要能够在高温下工作的传感器、电子控制系统 以及功率电子器件等，以提高飞行的可靠性,GaN基电子器件将起着重要作用。 此外由于它在高温工作时无需制冷器而大大简化电子系统，减轻了飞行重量。本报告针对氮化镓材料相关专利进行检索和分析，并结合有关报道分析技 术发展现状/通过对氮化镓领域的专利分析揭示该领域当前的专利活动特点为 科技决策和课题研究提供支持。检索数据来源于美国汤

3、森路透科技公司的 Derwent Innovation Index数据库，利用关键词设计检索策略，共计检出相关专利23234项，数据检索日期为2015年6月30日 所采用的主要分析工具为TDA( Thomson Data Analyzer )、TI( Thomson Innovation 芹和 Innography。(骨j金-応氮化镓专利申请已有50多年历史，最早是1963年由美国柯达公司申请 的。遗憾的是，由于受到没有合适的单晶衬底材料、位错密度较大、n型本底浓 度太高和无法实现p型掺杂等问题的困扰，氮化镓曾被认为是一种没有希望的 材料，因而发展十分缓慢。直到1989年，松下电器公司东京研究

4、所的赤崎勇和弟子天野浩在全球首 次实现了蓝光LED ； 1993年，日本日亚化学工业公司（Nichia ）的中村修二克 服了两个重大材料制备工艺难题：高质量GaN薄膜的生长和GaN空穴导电的 调控，独立研发出了大量生产GaN晶体的技术并成功制成了高亮度蓝色LED。因此，20世纪90年代后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善，GaN基器件的发展十分迅速，专利数量快速增长，进入发展的黄金时期。2006年-2009年，氮化镓专利数量的增长较为缓慢，甚至出现专利量减 少的情况（2009年），但2010年开始，专利数量又急剧增加，这种变化可能 显示在该时间曾经出现了一个技术上的突破或者关键进展。

5、由此来看，GaN材 料在未来几年内可能又会形成一次研究热潮。美国和日本在GaN的研究上起步较早。20世纪90年代左右，日本率先 克服了 GaN材料制备工艺中的难题，掌握了生产高质量GaN薄膜的技术，随 后引发了 GaN领域的研究热潮，专利数量急剧增加；美国则比日本晚了 5年左 右，但随着技术的不断创新，美国与日本的差距逐渐减小，2010年美国的专利 数量赶超了日本。中国和韩国均是20世纪90年代以后才有了专利申请，由于 此时技术上已经突破了瓶颈，因此专利数量增长较快，逐渐在国际上占据了一席 之地。氮化镓专利区域布局分析GaN材料的大部分专利掌握在四个国家手中，其专利数量占据了全球专 利总量的9

6、0%之多，分别是日本（38% ）、美国（21% ）、中国（16% ）、韩 国（15%）。四大主要专利来源国在国际市场均有不同程度的专利布局，日本在 美国的专利申请比例高达34.5% （日本专利总量为9449项），美国在WO和 日本的专利申请比例分别达到37.4%和24.9% （美国专利总量为5304项），韩国在美国的专利申请比例高达48.1% (韩国专利总量为3864项)。中国在国 夕卜也有较多的专利布局，但比例与其他三个国家相差较远。氮化镓专利技术领域布局分析基于德温特手工代码(Manual Code，MC )的统计，对氮化镓专利涉及的器件类型和加工工艺进行分析。1器件类型根据对MC的统计，

7、氮化镓专利涉及到的器件类型主要有发光二极管 (light emitting diodes，LED )、场效应晶体管(field effect transistors， FET )、激光二极管(laser diodes，LD )、二极管、太阳能电池等。其中FET 涉及多种类型的器件：IGFET、HEMT、MOSFET、bipolar transistor、JFET、 MISFET、IGBT等。二极管主要涉及整流二极管、光电二极管等。2加工工艺半导体器件加工方面涉及的主要技术有：电极、沉积方法、介电层、外延 生长、刻蚀、掺杂、欧姆接触、封装、退火等。其中沉积方法主要是化学气相沉 积(Chemica

8、l Vapor Deposition，CVD )，共涉及一千余项专利，外延生长 大都用CVD方法。刻蚀工艺主要有光刻蚀、化学刻蚀、等离子刻蚀、离子束刻 蚀等。欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行 高掺杂或者引入大量复合中心，所用方法主要是离子注入。1. 氮化镓专利热点领域及核心技术分析使用Thomson Innovation 绘制了氮化镓领域专利地图（图2）,可以 看出，氮化镓的应用领域主要是LED、FET、LD、太阳能电池、功率器件等方面， LED和FET是热点研发领域，其中FET的专利中主要是对HEMT （高电子迁移 率晶体管）的研究。涉及的技术领域主要有半导体

9、单晶生长、欧姆接触、封装、 刻蚀等，其中半导体单晶生长是热点研究领域，目前常用的方法是MOCVD（金属有机化学气相沉积），也称M OVPE（金属有机物气相外延）。根据上文对德温特手工代码的分析，结合TI专利地图以及相关文献报道，氮化镓核心技术主 要涉及外延生长、P型掺杂、欧姆接触、刻蚀工艺等方面。2氮化镓领域高价值专利分析采用Innography分析工具对专利价值进行评价，TOP 10高价值专利中 有8项是美国的科锐（Cree ）公司所有，其余两项分别是德国欧司朗（Osram ） 和日本日亚化学（Nichia ）申请，从涉及的技术领域看，大都是对LED器件的 开发，其中科锐公司较多涉及白光LE

10、D的专利。对专利强度在9级以上的GaN 专利进行统计，发现美国专利占59.3%，日本专利占16.3%，而我国仅占0.6%， 可见我国仍需加强核心技术的研发和保护。重点机构1国际重点机构研发实力分析氮化镓领域专利申请量排名前15位的专利权人中，日本机构有11家， 分别是住友、松下、三菱、夏普、东芝、丰田、索尼、富士通、日立、日亚化学、 罗姆；韩国共2家，分别是三星和LG ;中国的中科院（第6位）和美国的加州 大学（第15位）也进入前15位。除中国和美国的专利权人为科研院所/高校外， 其他TOP 15的专利权人均为企业，基本是全球知名的电器及电子公司或大型企 业集团。TOP 15的机构均保持了较为

11、活跃的研发状态，其中中科院、三菱、富 士通、加州大学、东芝、LG近三年的专利百分比都在20%以上。对TOP 30专利权人进行合作关系分析发现日本各机构之间的合作较多， 其中日本住友集团、丰田集团和三菱集团比较重视与其他机构的合作。欧美的机 构中欧司朗与英飞凌有两项专利合作，其他机构合作关系并不密切。中科院与日 本索尼公司有一项合作，台湾地区的台湾工业技术研究院分别与日本昭和、美国 科锐以及台湾Epistar有不同程度的合作。从技术布局来看，除富士通专注于FET方面的专利布局外，其他机构在LED领域的专利申请量都占据了较大比重，其中LG、三星和松下的专利数量占 据前三位汗ET领域专利数量较多的机

12、构有住友、富士通、东芝、松下等；松下、 住友、夏普、索尼等公司除了在LED领域有较多的专利布局，在LD领域也有突 出表现，而韩国三星和LG则在此领域布局较少。在技术层面，各专利权人都比 较重视在电极、沉积方法、介电层和外延生长方面的研发。2国内重点研发机构在国内专利数量TOP 10的专利权人里，公司和高校/科研机构的数量相 当。从专利的涉及年份来看，中科院、北京大学、南京大学进入该领域的时间较 早（上世纪90年代中后期），而企业则相对较晚，但近几年的研发都较为活跃。 不同机构从事的技术领域各有偏重，西安电子科技大学、中国电子科技集团公司 第五十五研究所主要研究领域为FET，其他8家机构则偏重L

13、ED的研究。中科院共有28个下属科研机构申请了氮化镓专利，主要研究所有：半导 体研究所、微电子研究所、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、上海技术物理研究 所等，其中半导体研究所的实力最为雄厚，专利数量为305项。主要结论1从20世纪60年代起就有GaN专利申请，但发展十分缓慢，90年代 后随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善，GaN基器件的发展十分迅 速。2. 日本、美国、中国、韩国是主要技术来源国，约占全球专利总量90% ,中国进入该领域时间较晚，但专利数量快速增长。3. GaN主要应用在LED、FET和LD等领域，关键技术在于氮化镓外延生 长、掺杂工艺、欧姆接触、刻蚀工艺等。4. GaN专利较为集中地掌握在全球知名的电器及电子公司手中，中国科学 院的专利数量在国际排名前列，美国Cree公司掌握了较多高价值专利。