集微咨询：从全球专利储备看GaN创新方向和潜在新秀

集微咨询（JW insights）认为：

- 目前全球GaN技术来源与主要GaN专利申请人均位于日本，中国大陆专利年申请量增长迅猛；

- GaN专利储备以光电器件为主，新申请专利显示技术创新方向聚焦于衬底、GaN HMET器件和Micro LED；

- 日本、美国具有先发优势，但是随着失效专利占比逐渐增加，行业后来者有望打破更多壁垒。

在快充应用的推动下，氮化镓（GaN）市场自2020年开启了腾飞之势，在功率器件及射频市场迎来巨大的商机。此前集微咨询的GaN系列文章《集微咨询：千呼万唤始出来的苹果GaN快充，拉开下一个GaN爆点的序幕》、《集微咨询：GaN快充达到甜蜜点，中低压市场迎来更多杀手级应用》分别分析了GaN技术已走出泡沫化的低谷期来到稳步爬升的光明期，并将在中低压器件市场迎来更大市场活力。随着越来越多厂商涌入，GaN领域的竞争逐渐白热化，本篇将从专利的角度分析未来该领域的种子选手。

目前全球GaN产业格局已经初步固定，形成了上游原材料（衬底、外延片）、中游GaN制造（GaN芯片设计、制造、封测）、下游GaN应用（电力电子器件、射频器件、光电子器件）的产业链条，在功率器件、射频器件、光电显示领域得到了广泛应用。Market and Market数据显示，2020年全球GaN器件的主要分类为GaN光电器件、GaN射频器件和GaN电力电子器件。从细分市场的角度来看， GaN光电器件的市场应用程度最高，占比达到65.22%；其次是GaN射频器件，市场占比约为29.89%；而GaN电力电子器件的市场规模则占比最小，仅为4.89%。

从专利角度看，GaN技术分布和创新热点如何？

全球GaN技术储备分布

从上世纪70年代出现首个专利申请起，目前全球在GaN产业已申请专利超过16万件，有效专利超过6万件，其中发明专利、技术创新活动十分频繁。根据智慧芽检索GaN专利数据，1994年之前GaN技术均处于学术研究和探索阶段，参与企业较少；1994年至2005年间进入第一波发展小高峰，但主要是应用于LED照明；2010年至2014年期间的GaN专利增长，主要集中在住友、日立等日本企业在衬底方面取得的突破和进一步的产品化；2014年后GaN专利申请数量稳定增长，年专利申请量基本维持在9000件以上，LED/MicroLED光电器件、GaN基FET器件、GaN功率/射频器件等相关技术成为专利申请的热点领域。

第一，从GaN技术来源分布来看，日本、美国在GaN领域的研究最早开始于1970年代，占据了大部分的GaN相关专利储备。

当前全球GaN技术第一大来源国为日本，比例高达35.5%，其次为美国，比例为22.95%，中国大陆以14.54%略高于韩国的14.2%而名列第三，这四个地区GaN专利占比合计超过87%。尽管日本和美国起步早了近20年，且在2010年之前日本显著领先，中国大陆从2010年开始后起发力并持续保持高速增长，GaN专利申请数量逐渐处于领先地位且优势十分明显。

美国专利布局虽比中国大陆早近20年，但近10年发展态势较为平缓稳定；中国相关专利于1985年最先提出，但专利年申请量快速增长并于2011年后开始超过美国。

在中国地区，GaN专利申请数量最多的省份为江苏，累计申请数量达到1916项，广东和北京分别以1657项和1057项分列2、3名。GaN创新活动活跃的主要省份有江苏、广东、浙江、陕西和北京等地，都是半导体产业和第三代半导体产业发展的重点区域。

第二，从GaN专利申请主体来看，全球GaN主要创新主体的龙头主要集中于日本专利申请人，来自中国大陆的申请人则在近几年异常活跃，表明GaN领域的研发投入不断增加，相关企业和科研院所数量也在不断增加。此外，在中国布局的海外申请人也以日本企业为主，包括三菱电机、住友和松下等。

2010年至2021年9月，全球GaN专利申请人CR10呈现波动趋势，2010年至2020年基本保持在13%以上，2021年上升至17.18%。整体来看，全球GaN专利申请人集中度不高(注：CR10为申请总量排名前10位的申请人的专利申请量占该领域专利申请总量的比例。其中，有联合申请时，专利数量不会被去重计算) 。其中全球重点专利申请人集中在日本企业，这与GaN技术来源国为日本呈现一致，中国企业与海外龙头的GaN技术储备量有较大差距。

截止2021年9月，全球GaN专利申请数量TOP10申请人（未剔除联合申请数量）仍以日本企业为主，但是来自中国大陆申请人异军突起，西安电子科技大学、中国科学院半导体研究所、三安光电、华灿光电等机构和企业申请人最为活跃。2021年，全球GaN专利新申请者（过去5年内才开始提交专利申请的申请人）有5名，全部来自中国大陆，分别是深圳第三代半导体研究院、西安智盛锐芯半导体科技有限公司、广东工业大学、中山市华南理工大学现代产业技术研究院和天津大学，其中深圳第三代半导体研究院申请的GaN专利数量最多。

第三，从GaN专利技术分布来看，在申请数量TOP10的申请人中分类号为H01L33的专利储备量最多，即光电器件领域。其次大部分集中在电学领域，这主要是因为GaN是提升电力电子器件和射频器件性能的重要半导体材料，在电力电子、射频芯片等领域都有越来越重要的应用。

此外，在全球市场价值最高TOP 10 GaN专利中，有7项专利价值都超过了1000万美元，其中LG伊诺特有限公司专利号为“EP2863444B1”的专利价值最高，为1146万美元，该专利提出了一种使用金属支撑层在蓝宝石衬底上制造垂直结构GaN基LED器件的方法。

GaN创新重点技术和方向

从GaN专利申请热力图来看，近年来全球GaN技术创新主要聚焦于衬底、GaN HMET器件和Micro LED三大领域。

第一，衬底技术是GaN器件降低成本的关键突破口之一，正从小批量、小尺寸向大规模商业化、大尺寸、高晶体质量方向发展。

目前全球GaN衬底相关专利超过13000件，其中有效专利超过4800件。衬底技术排名靠前的专利申请人以日本企业居多在衬底领域技术储备占有绝对优势，其次为美国。主要专利申请人包括住友株式会社、三菱化学株式会社、日本碍子株式会社、CREE等。

当前GaN相关的衬底技术主要涉及GaN单晶衬底、GaN-on-SiC、GaN-on-Si等。

从创新方向来看，专利分布显示GaN单晶生长技术研究较多，热门的生长技术为HVPE法，也是较成熟的单晶生长技术。助溶剂法和氨热法研究晚于HVPE法，近10年也在持续关注。衬底加工方面，研磨抛光、切割和倒角、衬底剥离是近几年的研究热点。

另一方面，GaN异质外延已经实现6英寸产业化，逐渐向8英寸演进，研究方向也逐渐向大尺寸和高质量方向聚焦。例如2020年，清华大学提出使用抛光组合物抛光GaN材料，该组合物包含纯化硅溶胶抛光磨粒、腐蚀剂、氧化剂、促进剂和水，抛光磨粒为纯化硅溶胶（专利号CN106398544A）；苏州纳米仿真所/苏州纳维科技提出用助溶剂法促进籽晶液相外延，在生长过程中添加碳添加剂，有效降低氮化镓籽晶生长前期的籽晶回溶（专利号CN107687022A）等。

第二，车规级GaN电力电子器件随着电动汽车市场规模增长而成为研究热点，正朝着多单元模块化方向发展。

在电动汽车领域，EPC和Transphorm已有GaN电力电子器件已经通过了车规认证，汽车行业越来越认可和重视GaN电力电子器件解决方案应用于电动汽车及混合动力汽车。

目前全球GaN电力电子器件相关专利超过2万件，有效专利占45.61%，美国、日本和中国为专利布局热点区域，尤以美国市场为甚。主要专利申请人仍以住友、富士通、东芝等日本企业为主，CREE、英特尔也具备一定优势。

从创新方向看，GaN电力电子器件经过了衬底材料的选择及多种新型器件结构探索(2DEG结构的改进、垂直型/异质结鳍片结构等)等阶段，目前研究热点聚焦于多单元器件组合形成多单元模块。例如2021年CREE提出一种大的有效栅极宽度的多单元晶体管器件（专利号US10483352B1）；三安光电提出一种具有多量子阱高阻缓冲层的HEMT外延结构（专利号CN108400159A）等。

第三，Micro LED由于其自发光，低功耗，高亮度，超高分辨率，小尺寸，高色彩饱和度等方面的优势，成为LED未来发展方向。从全球Micro/Mini LED全球专利申请情况来看，目前该领域相关专利总量超过2500件，有效专利超过900件，其中中国是这一领域的研究主导者，专利申请数量占比达到40.78%，全球领先。主要的专利申请人包括Facebook（Meta）、苹果、歌尔股份、京东方、三安光电等。

目前，Micro LED的创新主要聚焦在巨量转移技术的突破上。例如2019年，苹果提出利用光束寻址释放(BAR) 巨量转移技术，一次转移多个Micro LED（专利号US20200194616A1）；2020年，三星提出在目标基板和激光振荡器之间布置转移基板，转移基板上布置有一行/一列不同颜色的Micro LED器件，向目标基板辐射激光束以完成Micro LED的巨量转移（专利号US20200335659A1）等。

GaN创新龙头企业技术分析

日本住友

住友株式会社在GaN领域的专利储备可以说具有绝对优势。1970年代开始申请GaN相关专利，2003年该公司在全球率先量产GaN衬底，2006年再次率先量产高性能GaN HEMT（高电子迁移率晶体管），目前是全球GaN射频器件的主要供应商，强大的专利布局在一定程度上支撑了其后来的商业成功。

资料来源：智慧芽

住友GaN技术储备从专利分布来看，主要聚焦在衬底和器件研究，可见光LED、GaN基FET器件、激光二极管、GaN单晶生长技术专利布局较多，近5年更侧重GaN基FET器件。在GaN基FET器件领域，住友探索的技术方向较多，布局热点包括外延工艺、芯片工艺、改善击穿电压、减小漏电流、抑制电流崩塌、改善2DEG结构等，较缺乏的是改善结构缺陷、改善导通特性等方面的专利。

值得注意的是，目前住友的GaN失效专利占比过高，达到了60%左右。

美国CREE（Wolfspeed）

CREE是美国早期发力GaN和SiC技术的主要企业之一。1998年，该公司推出首个SiC基GaN HEMT，2019年和2021年，CREE完成照明和LED业务的出售，完全蜕变成一家以宽禁带半导体产品为主的公司。2021年更名为Wolfspeed并于纳斯达克上市。

CREE聚焦于GaN-on-SiC技术路线，从1991年开始申请GaN-LED相关专利，1998推出SiC基GaN-HEMT器件后专利申请迎来第一次快速增长，2008年推出首个GaN射频器件，迎来第二次快速增长。该公司在GaN领域的专利超过3000件，有效专利占比接近52%。

资料来源：智慧芽

随着CREE剥离LED业务后，其GaN研究重点同样转向GaN基FET器件，目前在该领域专利总量达到696件，有效专利430件，布局重点为减小漏电流、增大击穿电压、改善线性度、提高GaN层晶体质量、减少半导体刻蚀损伤、降低表面捕获效应等，较缺乏的是提高增益、延长使用寿命等方面的专利。

德国英飞凌

英飞凌是全球领先的功率半导体企业，1997年左右开始申请GaN激光二极管、GaN层生长技术相关专利，2014年通过收购IR取得其Si基GaN功率半导体制造技术，专利数量快速增长，且授权率较高。目前GaN领域专利超过1400件，有效专利占比高达61.5%，技术创新度高。

资料来源：智慧芽

英飞凌在GaN领域集中在中游-器件模组的研究，包括GaN基FET器件以及由多个功率元器件集成的功率模块(如电源转换器)的研发，在功率模块、GaN基FET器件上布局的专利最多。布局重点包括改善散热、降低功率损耗、提高工作电压、减小封装尺寸、降低集成器件产生的寄生电感和电容、改进双向开关特性等，较缺乏的是短路保护、过压保护、静电保护等方面的专利。

中国三安光电

中国LED龙头三安光电在GaN领域有一定技术储备。2014年，该公司投资建设GaN高功率半导体项目；2018年，在福建泉州斥资333亿元投资Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、LED外延、芯片、微波集成电路、光通讯、射频等产业。

三安光电从2001年开始申请GaN-LED相关专利，在此前的专利来自索尼、夏普等转让，目前专利超过1200件，主要是LED技术。2004年至2010年器件的专利增长主要来自2013年全资收购的Luminus，2012年后专利申请量进一步快速增长，主要受第三代半导体功率器件的推动。

资料来源：智慧芽

三安光电也集中于产业链中游——器件模组的研究。其布局的器件类型主要包括可见光LED、紫外LED、Micro/Mini LED和GaN基FET。2016年后，三安光电对可见光LED的专利申请量逐渐下降，并开始增加对Micro/Mini LED、GaN基FET的专利申请。

结语

集微咨询（JW insights）认为，随着GaN技术成熟度进入稳步提升的光明期，与GaN相关的专利申请活动越来越活跃。随着越来越多的玩家进入赛场，GaN专利版图也在不断演变。在这一变局下，我国企业作为后来者要牢牢把握这一换道机遇，也有机会在新兴领域与全球企业处于同一起跑线，应迎难而上实现技术创新，驱动行业快速发展。（校对/萨米）

注：专利数量可能依不同检索方式和数据库有所差异。