在快充應用的推動下，氮化鎵（GaN）市場自2020年開啟了騰飛之勢，在功率器件及射頻市場迎來巨大的商機。此前集微諮詢的GaN系列文章、《集微諮詢：GaN快充達到甜蜜點，中低壓市場迎來更多殺手級應用》分別分析了GaN技術已走出泡沫化的低谷期來到穩步爬升的光明期，並將在中低壓器件市場迎來更大市場活力。隨著越來越多廠商湧入，GaN領域的競爭逐漸白熱化，本篇將從專利的角度分析未來該領域的種子選手。
目前全球GaN產業格局已經初步固定，形成了上游原材料（襯底、外延片）、中游GaN製造（GaN晶片設計、製造、封測）、下游GaN應用（電力電子器件、射頻器件、光電子器件）的產業鏈條，在功率器件、射頻器件、光電顯示領域得到了廣泛應用。Market and Market資料顯示，2020年全球GaN器件的主要分類為GaN光電器件、GaN射頻器件和GaN電力電子器件。從細分市場的角度來看， GaN光電器件的市場應用程度最高，佔比達到65。22%；其次是GaN射頻器件，市場佔比約為29。89%；而GaN電力電子器件的市場規模則佔比最小，僅為4。89%。
從專利角度看，GaN技術分佈和創新熱點如何？
全球GaN技術儲備分佈
從上世紀70年代出現首個專利申請起，目前全球在GaN產業已申請專利超過16萬件，有效專利超過6萬件，其中發明專利、技術創新活動十分頻繁。根據智慧芽檢索GaN專利資料，1994年之前GaN技術均處於學術研究和探索階段，參與企業較少；1994年至2005年間進入第一波發展小高峰，但主要是應用於LED照明；2010年至2014年期間的GaN專利增長，主要集中在住友、日立等日本企業在襯底方面取得的突破和進一步的產品化；2014年後GaN專利申請數量穩定增長，年專利申請量基本維持在9000件以上，LED/MicroLED光電器件、GaN基FET器件、GaN功率/射頻器件等相關技術成為專利申請的熱點領域。
第一，從GaN技術來源分佈來看，日本、美國在GaN領域的研究最早開始於1970年代，佔據了大部分的GaN相關專利儲備。
當前全球GaN技術第一大來源國為日本，比例高達35。5%，其次為美國，比例為22。95%，中國大陸以14。54%略高於韓國的14。2%而名列第三，這四個地區GaN專利佔比合計超過87%。儘管日本和美國起步早了近20年，且在2010年之前日本顯著領先，中國大陸從2010年開始後起發力並持續保持高速增長，GaN專利申請數量逐漸處於領先地位且優勢十分明顯。
美國專利佈局雖比中國大陸早近20年，但近10年發展態勢較為平緩穩定；中國相關專利於1985年最先提出，但專利年申請量快速增長並於2011年後開始超過美國。
在中國地區，GaN專利申請數量最多的省份為江蘇，累計申請數量達到1916項，廣東和北京分別以1657項和1057項分列2、3名。GaN創新活動活躍的主要省份有江蘇、廣東、浙江、陝西和北京等地，都是半導體產業和第三代半導體產業發展的重點區域。
第二，從GaN專利申請主體來看，全球GaN主要創新主體的龍頭主要集中於日本專利申請人，來自中國大陸的申請人則在近幾年異常活躍，表明GaN領域的研發投入不斷增加，相關企業和科研院所數量也在不斷增加。此外，在中國佈局的海外申請人也以日本企業為主，包括三菱電機、住友和松下等。
2010年至2021年9月，全球GaN專利申請人CR10呈現波動趨勢，2010年至2020年基本保持在13%以上，2021年上升至17。18%。整體來看，全球GaN專利申請人集中度不高（注：CR10為申請總量排名前10位的申請人的專利申請量佔該領域專利申請總量的比例。其中，有聯合申請時，專利數量不會被去重計算） 。其中全球重點專利申請人集中在日本企業，這與GaN技術來源國為日本呈現一致，中國企業與海外龍頭的GaN技術儲備量有較大差距。
截止2021年9月，全球GaN專利申請數量TOP10申請人（未剔除聯合申請數量）仍以日本企業為主，但是來自中國大陸申請人異軍突起，西安電子科技大學、中國科學院半導體研究所、三安光電、華燦光電等機構和企業申請人最為活躍。2021年，全球GaN專利新申請者（過去5年內才開始提交專利申請的申請人）有5名，全部來自中國大陸，分別是深圳第三代半導體研究院、西安智盛銳芯半導體科技有限公司、廣東工業大學、中山市華南理工大學現代產業技術研究院和天津大學，其中深圳第三代半導體研究院申請的GaN專利數量最多。
第三，從GaN專利技術分佈來看，在申請數量TOP10的申請人中分類號為H01L33的專利儲備量最多，即光電器件領域。其次大部分集中在電學領域，這主要是因為GaN是提升電力電子器件和射頻器件效能的重要半導體材料，在電力電子、射頻晶片等領域都有越來越重要的應用。
此外，在全球市場價值最高TOP 10 GaN專利中，有7項專利價值都超過了1000萬美元，其中LG伊諾特有限公司專利號為“EP2863444B1”的專利價值最高，為1146萬美元，該專利提出了一種使用金屬支撐層在藍寶石襯底上製造垂直結構GaN基LED器件的方法。
GaN創新重點技術和方向
從GaN專利申請熱力圖來看，近年來全球GaN技術創新主要聚焦於襯底、GaN HMET器件和Micro LED三大領域。
第一，襯底技術是GaN器件降低成本的關鍵突破口之一，正從小批次、小尺寸向大規模商業化、大尺寸、高晶體質量方向發展。
目前全球GaN襯底相關專利超過13000件，其中有效專利超過4800件。襯底技術排名靠前的專利申請人以日本企業居多在襯底領域技術儲備佔有絕對優勢，其次為美國。主要專利申請人包括住友株式會社、三菱化學株式會社、日本礙子株式會社、CREE等。
當前GaN相關的襯底技術主要涉及GaN單晶襯底、GaN-on-SiC、GaN-on-Si等。
從創新方向來看，專利分佈顯示GaN單晶生長技術研究較多，熱門的生長技術為HVPE法，也是較成熟的單晶生長技術。助溶劑法和氨熱法研究晚於HVPE法，近10年也在持續關注。襯底加工方面，研磨拋光、切割和倒角、襯底剝離是近幾年的研究熱點。
另一方面，GaN異質外延已經實現6英寸產業化，逐漸向8英寸演進，研究方向也逐漸向大尺寸和高質量方向聚焦。例如2020年，清華大學提出使用拋光組合物拋光GaN材料，該組合物包含純化矽溶膠拋光磨粒、腐蝕劑、氧化劑、促進劑和水，拋光磨粒為純化矽溶膠（專利號CN106398544A）；蘇州奈米模擬所/蘇州納維科技提出用助溶劑法促進籽晶液相外延，在生長過程中新增碳新增劑，有效降低氮化鎵籽晶生長前期的籽晶回溶（專利號CN107687022A）等。
第二，車規級GaN電力電子器件隨著電動汽車市場規模增長而成為研究熱點，正朝著多單元模組化方向發展。
在電動汽車領域，EPC和Transphorm已有GaN電力電子器件已經通過了車規認證，汽車行業越來越認可和重視GaN電力電子器件解決方案應用於電動汽車及混合動力汽車。
目前全球GaN電力電子器件相關專利超過2萬件，有效專利佔45。61%，美國、日本和中國為專利佈局熱點區域，尤以美國市場為甚。主要專利申請人仍以住友、富士通、東芝等日本企業為主，CREE、英特爾也具備一定優勢。
從創新方向看，GaN電力電子器件經過了襯底材料的選擇及多種新型器件結構探索（2DEG結構的改進、垂直型/異質結鰭片結構等）等階段，目前研究熱點聚焦於多單元器件組合形成多單元模組。例如2021年CREE提出一種大的有效柵極寬度的多單元電晶體器件（專利號US10483352B1）；三安光電提出一種具有多量子阱高阻緩衝層的HEMT外延結構（專利號CN108400159A）等。
第三，Micro LED由於其自發光，低功耗，高亮度，超高解析度，小尺寸，高色彩飽和度等方面的優勢，成為LED未來發展方向。從全球Micro/Mini LED全球專利申請情況來看，目前該領域相關專利總量超過2500件，有效專利超過900件，其中中國是這一領域的研究主導者，專利申請數量佔比達到40。78%，全球領先。主要的專利申請人包括Facebook（Meta）、蘋果、歌爾股份、京東方、三安光電等。
目前，Micro LED的創新主要聚焦在巨量轉移技術的突破上。例如2019年，蘋果提出利用光束定址釋放（BAR） 巨量轉移技術，一次轉移多個Micro LED（專利號US20200194616A1）；2020年，三星提出在目標基板和鐳射振盪器之間佈置轉移基板，轉移基板上佈置有一行/一列不同顏色的Micro LED器件，向目標基板輻射鐳射束以完成Micro LED的巨量轉移（專利號US20200335659A1）等。
GaN創新龍頭企業技術分析
日本住友
住友株式會社在GaN領域的專利儲備可以說具有絕對優勢。1970年代開始申請GaN相關專利，2003年該公司在全球率先量產GaN襯底，2006年再次率先量產高效能GaN HEMT（高電子遷移率電晶體），目前是全球GaN射頻器件的主要供應商，強大的專利佈局在一定程度上支撐了其後來的商業成功。
資料來源：智慧芽
住友GaN技術儲備從專利分佈來看，主要聚焦在襯底和器件研究，可見光LED、GaN基FET器件、鐳射二極體、GaN單晶生長技術專利佈局較多，近5年更側重GaN基FET器件。在GaN基FET器件領域，住友探索的技術方向較多，佈局熱點包括外延工藝、晶片工藝、改善擊穿電壓、減小漏電流、抑制電流崩塌、改善2DEG結構等，較缺乏的是改善結構缺陷、改善導通特性等方面的專利。
值得注意的是，目前住友的GaN失效專利佔比過高，達到了60%左右。
美國CREE（Wolfspeed）
CREE是美國早期發力GaN和SiC技術的主要企業之一。1998年，該公司推出首個SiC基GaN HEMT，2019年和2021年，CREE完成照明和LED業務的出售，完全蛻變成一家以寬禁帶半導體產品為主的公司。2021年更名為Wolfspeed並於納斯達克上市。
CREE聚焦於GaN-on-SiC技術路線，從1991年開始申請GaN-LED相關專利，1998推出SiC基GaN-HEMT器件後專利申請迎來第一次快速增長，2008年推出首個GaN射頻器件，迎來第二次快速增長。該公司在GaN領域的專利超過3000件，有效專利佔比接近52%。
資料來源：智慧芽
隨著CREE剝離LED業務後，其GaN研究重點同樣轉向GaN基FET器件，目前在該領域專利總量達到696件，有效專利430件，佈局重點為減小漏電流、增大擊穿電壓、改善線性度、提高GaN層晶體質量、減少半導體刻蝕損傷、降低表面捕獲效應等，較缺乏的是提高增益、延長使用壽命等方面的專利。
德國英飛凌
英飛凌是全球領先的功率半導體企業，1997年左右開始申請GaN鐳射二極體、GaN層生長技術相關專利，2014年透過收購IR取得其Si基GaN功率半導體制造技術，專利數量快速增長，且授權率較高。目前GaN領域專利超過1400件，有效專利佔比高達61。5%，技術創新度高。
資料來源：智慧芽
英飛凌在GaN領域集中在中游-器件模組的研究，包括GaN基FET器件以及由多個功率元器件整合的功率模組（如電源轉換器）的研發，在功率模組、GaN基FET器件上佈局的專利最多。佈局重點包括改善散熱、降低功率損耗、提高工作電壓、減小封裝尺寸、降低整合器件產生的寄生電感和電容、改進雙向開關特性等，較缺乏的是短路保護、過壓保護、靜電保護等方面的專利。
中國三安光電
中國LED龍頭三安光電在GaN領域有一定技術儲備。2014年，該公司投資建設GaN高功率半導體專案；2018年，在福建泉州斥資333億元投資Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料、LED外延、晶片、微波積體電路、光通訊、射頻等產業。
三安光電從2001年開始申請GaN-LED相關專利，在此前的專利來自索尼、夏普等轉讓，目前專利超過1200件，主要是LED技術。2004年至2010年器件的專利增長主要來自2013年全資收購的Luminus，2012年後專利申請量進一步快速增長，主要受第三代半導體功率器件的推動。
資料來源：智慧芽
三安光電也集中於產業鏈中游——器件模組的研究。其佈局的器件型別主要包括可見光LED、紫外LED、Micro/Mini LED和GaN基FET。2016年後，三安光電對可見光LED的專利申請量逐漸下降，並開始增加對Micro/Mini LED、GaN基FET的專利申請。
結語
集微諮詢（JW insights）認為，隨著GaN技術成熟度進入穩步提升的光明期，與GaN相關的專利申請活動越來越活躍。隨著越來越多的玩家進入賽場，GaN專利版圖也在不斷演變。在這一變局下，我國企業作為後來者要牢牢把握這一換道機遇，也有機會在新興領域與全球企業處於同一起跑線，應迎難而上實現技術創新，驅動行業快速發展。（校對/薩米）
