2018年7月，臺灣晶電和波士頓大學(xué)的專利侵權(quán)訴訟案經(jīng)美國聯(lián)邦巡回上訴法院二審判決，判定波士頓大學(xué)專利權(quán)無效，晶電勝訴。該專利侵權(quán)訴訟案要追溯到2012年10月，當(dāng)時美國麻州地方法院向臺灣晶電及客戶提出波士頓大學(xué)該專利的侵權(quán)訴訟，要求賠償金額568萬余美元。2015年11月，由非專業(yè)人士組成的陪審團(tuán)裁定臺灣晶電侵權(quán)并需賠款930萬美元。

案件涉及的專利為美國專利US5686738，是高絕緣單晶硅制備氮化鎵薄膜技術(shù)，由波士頓大學(xué)電子與電腦工程教授Theodore Moustakas所發(fā)明，在1995年提出專利申請，于1997年取得專利，并由波士頓大學(xué)基金會負(fù)責(zé)管理。雖然該專利已在2014年11月11日①到期，但針對專利過期前的侵權(quán)爭議，法律訴訟遠(yuǎn)不止臺灣晶電一起。

①：1995年6月8日以前申請的美國專利年限等于＂最早母案申請日＋20年＂或＂核準(zhǔn)日＋17年＂，兩者取其晚者。專利US5686738發(fā)布日期為1997年11月11日，申請日期為1995年1月13日，優(yōu)先權(quán)日期為1991年3月18日，根據(jù)美國的核算方式，到期時間兩者取其晚者：取發(fā)布日期1997＋17年＝2014年11月11日

波士頓大學(xué)基金會多年來以該專利提起數(shù)十件美國專利侵權(quán)訴訟，涉及訴訟對象除了晶電外，還包括日亞化學(xué)（Nichia）、億光、光寶、宏齊、首爾半導(dǎo)體（Seoul Semiconductor）、三星等LED廠，于2013年起又相繼控告蘋果、聯(lián)想、HTC、亞馬遜、宏碁、華碩、明基電通、宏達(dá)電、戴爾、微軟、東芝、索尼、LG等終端品牌廠商。其中2013年7月，波士頓大學(xué)因蘋果iPhone、iPad、MacBook Air等產(chǎn)品使用的半導(dǎo)體技術(shù)涉及侵害該專利內(nèi)容，針對蘋果的求償金額最高達(dá)到約7500萬美元。波士頓大學(xué)曾將US5686738專利授權(quán)給LED晶片廠科銳（CREE）使用，此專利的侵權(quán)案件中也有部分是由科銳提出的。這些被指侵權(quán)的廠商部分支付了專利授權(quán)費(fèi)，部分與波士頓大學(xué)通過交叉授權(quán)達(dá)成和解。

波士頓大學(xué)提起訴訟的這些企業(yè)名稱就已經(jīng)讓人感慨，幾乎所有行業(yè)知名的LED企業(yè)和電子設(shè)備廠商全部都與波士頓大學(xué)打過交道。那么我們不禁好奇：

US5686738這個專利主要是什么內(nèi)容？波士頓大學(xué)對該專利進(jìn)行怎樣的布局和保護(hù)，以致后來眾多知名廠商都遭遇波士頓大學(xué)提起的侵權(quán)訴訟？

專利的眾多訴訟案件中，最近這次為什么最后判定晶電勝訴、波士頓大學(xué)專利權(quán)無效？

從案件之外來看，這個專利為什么相關(guān)的侵權(quán)訴訟金額都如此之高？它到底解決了什么行業(yè)技術(shù)問題，有哪些應(yīng)用？又有哪些前景？

方象知產(chǎn)研究院在這里從專利和市場的角度分別進(jìn)行分析。

一專利US5686738的地位、方法和基本保護(hù)情況

1． 專利的行業(yè)地位：推動LED革命

實(shí)際上，專利US5686738提供的氮化鎵制備方法發(fā)明在發(fā)光二極管（即LED，以下簡稱LED）發(fā)展史上有著重要的促進(jìn)作用，具體來說就要簡單梳理一下LED的發(fā)展史：

1962年，美國Biard以及Pittman申請了描述具有間隔的陰極接觸的鋅擴(kuò)散的p－n結(jié)LED，這種LED在正向偏壓下有效發(fā)射紅外光，美國專利局使用優(yōu)先權(quán)立即批準(zhǔn)了這個專利US3293513，并認(rèn)為此專利是最早的LED的專利。

1962年－1971年，LED技術(shù)持續(xù)發(fā)展，LED已經(jīng)出現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，并被用于機(jī)器儀器的顯示光源。但由于光的三原色仍缺少藍(lán)色光源，令照明的白色光源始終無法創(chuàng)建。因?yàn)橹挥心芰扛叩墓饽軌蚣ぐl(fā)出能量低的光，而能量低的光無法激發(fā)能量高的光，相對而言，藍(lán)光能量是紅光能量的1．5倍還多，因而沒有藍(lán)光LED就無法合成白光LED。因此，無論是在科學(xué)界還是工業(yè)界，如何造出藍(lán)光LED曾困擾了人們數(shù)十年。

80年代后期氮化鎵外延增長和p型摻雜有了重大技術(shù)突破，在此基礎(chǔ)上，波士頓大學(xué)的Theodore Moustakas教授于1991年使用新的兩步法生產(chǎn)“氮化鎵薄膜”，可以用來制造廉價而緊湊的全固態(tài)藍(lán)色激光器，也就是我們說的專利US5686738。

圖1：波士頓大學(xué)Theodore Moustakas教授

來源：波士頓大學(xué)官方網(wǎng)站

1993年，日本的中村修二使用類似的氮化鎵生長工藝制作出高亮度藍(lán)光LED。經(jīng)過10余年的發(fā)展，2014年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩和中村修二，獲獎理由是“發(fā)明高效藍(lán)光二極管，帶來明亮而節(jié)能的白色光源”。藍(lán)光LED也被獲譽(yù)“愛迪生之后的第二次照明革命”。隨著LED三原色的齊全，白光LED開始引領(lǐng)新的技術(shù)發(fā)展，最典型常見的就是現(xiàn)在平板電腦和手機(jī)上使用的高亮度高分辨率LED屏幕。

綜合來看，波士頓大學(xué)Theodore Moustakas教授的發(fā)明專利實(shí)際上推動了LED革命性的發(fā)展，雖然后續(xù)發(fā)展不像中村修二的影響那么有名，但他的發(fā)明專利是主要的證實(shí)可行且較經(jīng)濟(jì)的氮化鎵制備方法，因而生產(chǎn)或使用氮化鎵及LED的半導(dǎo)體企業(yè)或是終端生產(chǎn)廠商被波士頓大學(xué)屢次提起訴訟就可以理解了。

那么教授是如何制備氮化鎵的呢？也就是說這個專利的主要內(nèi)容是什么呢？有什么特別之處呢？

2． 專利主要內(nèi)容：兩步法生產(chǎn)“氮化鎵薄膜”

簡單總結(jié)一下，Moustakas教授US5686738這項(xiàng)發(fā)明專利涉及的是一種在分子束外延生長室中制備高絕緣氮化鎵單晶膜的方法。該方法為所需的氮化鎵晶體結(jié)構(gòu)提供適當(dāng)?shù)木Ц衿ヅ涞膯尉бr底，在生長室內(nèi)提供鎵分子束源和活化的原子和離子氮源。在兩步生長工藝（低溫成核步驟和高溫生長步驟）中，將襯底向鎵溶劑和氮源暴露，由此來沉積所需的膜。低溫工藝在100－400℃下進(jìn)行，高溫工藝在600－900℃下進(jìn)行?；钚缘暮诵膩碓词请娮踊匦舱裎⒉ǖ入x子體。

具體來看，該發(fā)明專利中使用的ECR－MBE系統(tǒng)如圖2所示。ECR系統(tǒng)（電子回旋共振系統(tǒng)，圖2：10，藍(lán)色部分）與MBE系統(tǒng)（分子束外延系統(tǒng)，圖2：11，橙色部分）通過瀉流端口（圖2：12）連接完成系統(tǒng)的集成。

其中，ECR系統(tǒng)（圖2：10）包括：微波發(fā)生器（圖2：13），波導(dǎo)（圖2：14，定向引導(dǎo)電磁波），高真空等離子體室（圖2：15）和兩個電磁鐵（圖2：16）和（圖2：17）。等離子體室（15）被兩個電磁鐵（圖2：16）和（圖2：17）包圍。上磁體（圖2：16）由2kW電源（未示出）供電，下磁體（圖2：17）由5kW電源（未示出）供電。通過這種方式定位電磁鐵能夠?qū)е赂鼜?qiáng)烈和穩(wěn)定的等離子體。2個電磁鐵形成一個回旋加速器，回旋頻率取決于磁場強(qiáng)度和電子電荷質(zhì)量比：

ωce＝eB／m

其中，ωce為回旋頻率，e和m為電子電荷及其質(zhì)量，B是磁場強(qiáng)度

圖2： ECR輔助的MBE生長室的橫截面圖

來源：專利US5686738，方象知產(chǎn)研究院翻譯制圖

1）ECR系統(tǒng)：生成穩(wěn)定微波分解活化原子和離子氮

首先，微波發(fā)生器（圖2：13）生成2．43GHz微波，并沿矩形波導(dǎo)（圖2：14）傳播，100－500W的微波功率通過波導(dǎo)（圖2：14）進(jìn)入等離子體室（圖2：15）。上電磁鐵（圖2：16）將等離子體室（圖2：15）中的自由電子導(dǎo)入回旋加速器軌道，由于所有電子都位于回旋加速器軌道，因此隨機(jī)運(yùn)動和碰撞所損失的能量得以減少。同時，等離子體被限制在等離子體室（圖2：15）的中心。通過電磁鐵調(diào)節(jié)磁場使得微波的振蕩頻率恰好等于電子的回旋頻率（即調(diào)整等離子體室的微博振蕩頻率使ω＝ωce），準(zhǔn)備與氮?dú)獍l(fā)生撞擊。

通過質(zhì)量流量控制器（18）維持可調(diào)節(jié)的恒定流量，氮?dú)馔ㄟ^質(zhì)量流量控制器（18）流入等離子體室（圖2：15），并在等離子體室（圖2：15）中通過與高能電子撞擊，氮?dú)獾靡苑纸獬筛吣茉拥碗x子氮。然后，下電磁鐵（圖2：17）將離子引導(dǎo)通過噴射口（圖2：12）朝向基板襯底（圖2：19），襯底（圖2：19）位于MBE系統(tǒng)（圖2：11，橙色部分）的生長室（圖2：21）中連續(xù)方位角旋轉(zhuǎn)單元CAR（圖2：20）上。CAR（圖2：20）可以在0和120rpm之間旋轉(zhuǎn)。

2）MBE系統(tǒng)：兩步法生長氮化鎵

鎵熔劑在努森隙透單元（圖2：22）中產(chǎn)生并通過鎵快門（圖2：23）控制其進(jìn)入生長室（圖2：21）。

一般工藝中，由于襯底（圖2：19）在600℃下會被氮等離子體濺射蝕刻，因此襯底首先在氮等離子體存在條件下冷卻至270℃，打開鎵快門（圖2：23）使氮化鎵初始緩沖層得以沉積。緩沖層一般在10分鐘內(nèi)成核，此時關(guān)閉鎵快門（圖2：23）停止膜的成核。

然后將襯底在氮等離子體存在條件下以每15秒4℃的速度緩慢加熱至600℃，一旦達(dá)到600℃，在氮等離子體存在下，使襯底（圖2：19）在該溫度下保持30分鐘，確保氮化鎵緩沖層結(jié)晶。再次打開鎵快門（圖2：23）以生長氮化鎵單晶膜。

薄膜的厚度約為1微米，但理論上對薄膜厚度沒有限制。在整個過程中氮壓力和鎵通量保持恒定。兩步生長過程考慮成核或緩沖層。緩沖層在100－400℃的溫度下產(chǎn)生，由于溫度較低，氮空位形成的可能性降低。隨著溫度升高到600℃，非晶薄膜結(jié)晶。以后的生長全部在結(jié)晶的氮化鎵緩沖層上完成。通過這兩步法生長的膜優(yōu)于通過一步生長法生長的膜。

整體過程如圖3簡化示意：圖中藍(lán)色的ECR系統(tǒng)生成穩(wěn)定微波分解出活化原子和離子氮，橙色的MBE系統(tǒng)通過鎵快門引入鎵熔劑，在生長室內(nèi)氮和鎵開始作用。通過控制溫度先在襯底上產(chǎn)生緩沖層（100－400℃），再基于緩沖層生長氮化鎵單晶膜（600－900℃）。

圖3： 氮化鎵生長示意圖

來源：方象知產(chǎn)研究院根據(jù)專利US5686738描述制圖

3． 專利優(yōu)勢：兩步法生長氮化鎵的性能更為穩(wěn)定

Moustakas教授在US5686738發(fā)明專利中對一步法和兩步法生長氮化鎵的性能進(jìn)行了XRD②檢測，在藍(lán)寶石襯底的α平面上生長的氮化鎵膜的XRD圖案③如下。一步法如圖4a和兩步法如圖4b。

②：XRD，X－ray diffraction，X射線衍射。通過對材料進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。

③：圖像橫坐標(biāo)為角度（度），是2θ角，是衍射譜儀掃描的角度；縱坐標(biāo)是接收器檢測到的計(jì)數(shù)，單位：CPS，每秒計(jì)數(shù)counts per sec。

圖4a：一步法制備氮化鎵膜的XRD圖案

來源：專利US5686738

圖4b：兩步法制備氮化鎵膜的XRD圖案

來源：專利US5686738

根據(jù)Moustakas教授的說法，一步法（圖4a）制備氮化鎵在2θ＝35°存在2個峰值，因而結(jié)構(gòu)存在缺陷。而兩步法（圖4b）使大部分薄膜生長在氮化鎵緩沖層的頂部，并且看不到下面的襯底，衍射圖案僅具有單峰，質(zhì)量更為穩(wěn)定。相比一步法制備的氮化鎵僅有唯一的高度缺陷。因而Moustakas教授的方法非常有效的提供了相對優(yōu)質(zhì)的氮化鎵薄膜，為后續(xù)研究應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也成為日后各個廠商及行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

二晶電案件主要的權(quán)利要求爭議和判決

1． 專利的權(quán)利要求：多角度規(guī)定制備方法和襯底材料

既然專利US5686738推進(jìn)了LED的變革，那么如此重要的專利又是如何進(jìn)行保護(hù)的呢？US5686738專利的權(quán)利要求中提到的使用材料基本涵蓋了行業(yè)中制備氮化鎵的所有主流襯底材料，同時又對各種制備方法的變型進(jìn)行了要求，因而半導(dǎo)體企業(yè)或是終端生產(chǎn)廠商在使用LED時被波士頓大學(xué)屢次提起訴訟就可以理解了。

具體來看，專利US5686738涉及權(quán)利要求有21項(xiàng)，其中很多權(quán)利要求都是細(xì)微調(diào)整。其中基本描述為（下段下文簡稱“基本描述”）：

一種半導(dǎo)體器件，包括：襯底，所述襯底選自（100）硅，（111）硅，（0001）藍(lán)寶石，（11－20）藍(lán)寶石，（1－102）藍(lán)寶石，（111）砷化鎵，（100）砷化鎵，氧化鎂，氧化鋅和碳化硅的材料組成。

使用典型材料襯底的半導(dǎo)體器件均有所提及，這些襯底材料幾乎涵蓋了制備氮化鎵可能使用的所有主要材料。第1項(xiàng)權(quán)利要求基于以上基本描述補(bǔ)充：

一種厚度約為30埃至約500埃的非單晶緩沖層，包括在所述襯底上生長的第一材料，第一材料基本上由氮化鎵組成；和在緩沖層上生長的第一生長層，第一生長層包括氮化鎵和第一摻雜劑材料。

第8項(xiàng)權(quán)利要求基于基本描述補(bǔ)充：

非單晶緩沖層，包括在所述襯底上生長的第一材料，第一材料基本上由氮化鎵構(gòu)成；在緩沖層上生長的第一生長層，第一生長層包括氮化鎵和受主摻雜劑材料；在第一生長層上生長的第二生長層，第二生長層包括氮化鎵和施主摻雜劑材料。

接下來11、13、15、16、18、19、20、21項(xiàng)權(quán)利要求均為不同角度的描述補(bǔ)充。

其中第15項(xiàng)權(quán)利基于基本描述補(bǔ)充：

一種厚度約為30埃至約500埃的非單晶緩沖層，包括在所述襯底上生長的第一材料，第一材料基本上由氮化鎵構(gòu)成；和一種活化的p型生長層，包括氮化鎵和在不使用生長后活化步驟的情況下形成的受體摻雜劑材料。

主要對生長層進(jìn)行了另外的描述，同時將半導(dǎo)體器件描述為“一種具有激活的p型層的半導(dǎo)體器件”。又是對第1項(xiàng)權(quán)利要求的不同補(bǔ)充。

從專利保護(hù)的角度，專利US5686738幾乎把主流襯底的各種生長方法和可能性都考慮到并統(tǒng)一進(jìn)行了專利權(quán)利要求。

表1：專利US5686738主要權(quán)利要求

來源：專利US5686738，方象知產(chǎn)研究院翻譯整理

此外，第2、3、6、7項(xiàng)權(quán)利要求又對第1項(xiàng)權(quán)利要求進(jìn)行了補(bǔ)充，如第2項(xiàng)權(quán)利要求：如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，還包括：在第一生長層上生長的第二生長層，第二生長層包括氮化鎵和第二摻雜劑材料。第3項(xiàng)權(quán)利要求：如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述緩沖層在第一溫度下生長，并且其中所述第一生長層在高于所述第一溫度的第二溫度下生長。

表2：專利US5686738其他權(quán)利要求

來源：專利US5686738，方象知產(chǎn)研究院翻譯整理

2． 晶電案件的爭議和判決

基于波士頓大學(xué)US5686738這項(xiàng)專利，在與臺灣晶電專利爭議中，主要集中在第19條權(quán)利要求，即：

19．一種半導(dǎo)體器件，包括：

襯底，所述襯底由選自（100）硅、（111）硅、（0001）藍(lán)寶石、（11－20）藍(lán)寶石、（1－102）藍(lán)寶石、（111）砷化鎵、（100）砷化鎵、氧化鎂、氧化鋅和碳化硅的材料組成；非單晶緩沖層（a non－single crystalline buffer layer），包括在所述襯底上生長的第一材料，第一材料基本上由氮化鎵構(gòu)成；和生長（grown on）在緩沖層上的生長層，生長層包括氮化鎵和第一摻雜劑材料。

美國地區(qū)法院在這里解釋了兩個術(shù)語的定義。首先，“生長（grown on）”被解釋為“間接或直接在上面形成”。在這種結(jié)構(gòu)下，權(quán)利要求19的生長層和緩沖層不必直接接觸，它們之間可以有介入層。其次，地區(qū)法院將“非單晶緩沖層（a non－single crystalline buffer layer） ”解釋為“一層不是單晶的材料，即多晶、無定形或多晶和非晶的混合物，位于第一襯底和第一生長層之間。”

氮化鎵薄膜的制備基于該專利方法，臺灣晶電使用技術(shù)正涉及在緩沖層上生長生長層，波士頓大學(xué)認(rèn)為侵犯了第19條權(quán)利要求。而晶電認(rèn)為第19條權(quán)利要求不適用，因?yàn)樵搶＠f明書沒有教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何制造具有直接在無定形緩沖層上生長單晶生長層所要求保護(hù)的半導(dǎo)體器件。相反，晶電引用了一些專家證詞和證據(jù)來證明晶電能夠在專利有效日期之后的幾年內(nèi)直接在非晶層上生長單晶層，有證據(jù)證明這是使用其他方法實(shí)現(xiàn)的，而且是波士頓大學(xué)沒有給出建議的方法。

針對這一點(diǎn)爭議，美國地區(qū)法院認(rèn)為，波士頓大學(xué)在某種程度上創(chuàng)建了自己可實(shí)現(xiàn)問題（enablement problem④）。在索賠范圍內(nèi)獲得包括純無定形層的索賠結(jié)構(gòu)之后，波士頓大學(xué)需要成功抵御對索賠的全部范圍的挑戰(zhàn)。換句話說：如果波士頓大學(xué)想要將其他人排除在它所認(rèn)為的發(fā)明之外，其專利需要教會公眾如何制造和使用該發(fā)明。

④：美國專利法包括的可實(shí)現(xiàn)（enablement）類似于我國專利法第26條第3款的規(guī)定，要求說明書要給出教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員不用進(jìn)行過分試驗(yàn)就能確定如何完成和使用該發(fā)明的最低信息。

綜上，波士頓大學(xué)US5686738專利中并沒有明確給出制造相關(guān)半導(dǎo)體器件的具體方法，同時晶電能夠證實(shí)其使用的方法是在US5686738專利有效期之后，且使用的并非該專利給出的方法。因而最終判定波士頓大學(xué)專利權(quán)無效，晶電勝訴。

三氮化鎵的主要應(yīng)用和前景

關(guān)于US5686738專利的各種侵權(quán)案隨著2014年專利到期逐步塵埃落定，但是氮化鎵卻隨著技術(shù)發(fā)展與人們的生活越來越近，那么氮化鎵又有怎樣的特點(diǎn)？除了可以應(yīng)用在最常見的LED屏之外，還有哪些行業(yè)能夠應(yīng)用呢？未來前景怎樣？

1． 氮化鎵（GaN）的特點(diǎn)

氮化鎵是LED襯底中穩(wěn)定且性能具有優(yōu)勢的材料，目前主流產(chǎn)品以2～3英寸為主，4英寸也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用。氮化鎵襯底主要由日本公司主導(dǎo)，日本住友電工的市場份額達(dá)到90％以上。我國目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)主要包括蘇州納維科技公司和東莞市中鎵半導(dǎo)體科技公司。

表3：LED襯底材料性能對比

來源：公開信息，方象知產(chǎn)研究院整理

由于氮化鎵在各方面性能優(yōu)異，隨著技術(shù)的發(fā)展，有望降低成本，逐步廣泛的在電子電力領(lǐng)域和微波射頻領(lǐng)域得以應(yīng)用。

此外，氮化鎵材料由于禁帶寬度達(dá)到3．4eV，與碳化硅、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體材料。由于氮化鎵還具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速度大、熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一。

氮化鎵在電子電力領(lǐng)域應(yīng)用主要有以下特點(diǎn)：

1）高轉(zhuǎn)換效率／低導(dǎo)通損耗：氮化鎵的禁帶寬度是硅的3倍，擊穿電場是硅的10倍。因此，同樣額定電壓的氮化鎵開關(guān)功率器件的導(dǎo)通電阻比硅器件低3個數(shù)量級，大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

2）高工作頻率：氮化鎵開關(guān)器件寄生電容小，工作效率可以比硅器件提升至少20倍，大大減小了電路中儲能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設(shè)備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。

氮化鎵在微波射頻領(lǐng)域應(yīng)用主要有以下特點(diǎn)：

1）更高效率：降低功耗，節(jié)省電能，降低散熱成本，降低總運(yùn)行成本。

2）更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實(shí)現(xiàn)多頻率覆蓋，降低客戶產(chǎn)品成本。也適用于擴(kuò)頻通信、電子對抗等領(lǐng)域。

3）更高的功率：在4GHz以上頻段，可以輸出比砷化鎵高得多的頻率，特別適合雷達(dá)、衛(wèi)星通信、中繼通信等領(lǐng)域。

2． 氮化鎵主要行業(yè)應(yīng)用及前景

目前氮化鎵主要應(yīng)用在IT產(chǎn)品、信息通訊設(shè)備、射頻器件、新能源等領(lǐng)域。隨著成本的下降和技術(shù)的成熟，將很有可能對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行替換。

1） IT產(chǎn)品

國內(nèi)各主要IT產(chǎn)品仍將保持旺盛的市場需求，筆記本電腦、顯示器、打印機(jī)、電視機(jī)、組合音響、激光視盤機(jī)等傳統(tǒng)產(chǎn)品以及新興汽車電子均將在未來保持平穩(wěn)增長。隨著全球空調(diào)、節(jié)能電機(jī)等電子產(chǎn)品產(chǎn)能向中國大陸轉(zhuǎn)移，功率半導(dǎo)體的需求也將成倍地增加。氮化鎵作為半導(dǎo)體發(fā)展中重要的原料，未來很可能影響IT產(chǎn)品的設(shè)計(jì)形態(tài)和競爭格局。

2） 信息通訊設(shè)備

增強(qiáng)型氮化鎵電晶體表現(xiàn)出高耐輻射性能，從而適用于通訊和科學(xué)衛(wèi)星的功率和通訊系統(tǒng)；點(diǎn)到點(diǎn)通信、衛(wèi)星通信、各種雷達(dá)和新型工業(yè)／醫(yī)療應(yīng)用都將從這些大功率氮化鎵器件的應(yīng)用中獲益。

5G將帶來半導(dǎo)體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設(shè)備需要支持高頻性能的射頻器件，氮化鎵的優(yōu)勢將逐步凸顯，使得氮化鎵成為5G的關(guān)鍵技術(shù)。

3） 作為射頻器件合適材料

目前射頻市場主要有三種工藝：砷化鎵工藝，基于硅的LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝，以及氮化鎵工藝。砷化鎵器件的缺點(diǎn)是器件功率較低，低于50W。LDMOS器件的缺點(diǎn)是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz以下。氮化鎵彌補(bǔ)了砷化鎵和硅基LDMOS兩種老式技術(shù)之間的缺陷，帶隙寬度與熱導(dǎo)率均高于硅和砷化鎵，在體現(xiàn)砷化鎵高頻性能的同時，結(jié)合了硅基LDMOS的功率處理能力。

4） 新能源領(lǐng)域

主要有三方面應(yīng)用：快充電源，可再生能源和智能電網(wǎng)。

快充電源：氮化鎵電力電子器件方面典型應(yīng)用市場是電源設(shè)備。由于結(jié)構(gòu)中包含可以實(shí)現(xiàn)高速性能的異質(zhì)結(jié)二維電子氣，氮化鎵器件相比于碳化硅器件擁有更高的工作頻率，加之可承受電壓要低于碳化硅器件，所以氮化鎵電力電子器件更適合高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領(lǐng)域，如輕量化的消費(fèi)電子電源適配器、無人機(jī)用超輕電源、無線充電設(shè)備等。

可再生能源：風(fēng)電和太陽能電力接入電網(wǎng)以及減少輸電損耗方面，氮化鎵大功率器件都發(fā)揮了極其重要的作用；綠色能源、電動汽車、綠色電子照明等新興領(lǐng)域正在成為功率器件市場應(yīng)用的新熱點(diǎn)，需求強(qiáng)勁。

智能電網(wǎng)領(lǐng)域：功率半導(dǎo)體能夠提高從發(fā)電、輸配電到最后用電的整個電力供應(yīng)鏈的能效。

圖5：氮化鎵主要應(yīng)用的預(yù)期潛在市場

來源：Yole Development，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心

此外，根據(jù)研究機(jī)構(gòu)Yole Development的研究預(yù)測，風(fēng)力渦輪、鐵路牽引系統(tǒng)等方面，氮化鎵也有較大的應(yīng)用前景。

據(jù)Yole Development預(yù)測，2016年－2020年氮化鎵射頻器件市場復(fù)合年增長率（CAGR）將達(dá)到4％；2020年末，市場規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2．5倍。2019年－2020年，5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施將接棒推動氮化鎵市場增長。未來10年，氮化鎵市場將有望超過30億美元。據(jù)麥姆斯咨詢（MEMS Consulting），2016年，全球氮化鎵半導(dǎo)體器件市場規(guī)模為165億美元，預(yù)計(jì)到2023年將達(dá)到224．7億美元，2017年至2023年期間的復(fù)合年增長率為4．6％。不同機(jī)構(gòu)對氮化鎵未來預(yù)測基本一致，行業(yè)前景和空間較大，競爭也將逐步提升。

驅(qū)動氮化鎵市場增長的主要因素包括氮化鎵在消費(fèi)電子和汽車領(lǐng)域具有廣闊的市場潛力；氮化鎵材料的寬帶隙特性促進(jìn)了創(chuàng)新應(yīng)用；氮化鎵在RF功率電子領(lǐng)域的成功應(yīng)用；以及軍事、國防、航空航天應(yīng)用領(lǐng)域增加對氮化鎵射頻半導(dǎo)體器件的應(yīng)用。

四方象觀察

在2019春季環(huán)球資源移動電子展上，眾多知名企業(yè)帶來了基于USB PD快充應(yīng)用的氮化鎵充電器，其中包括ANKER安克、AUKEY傲基、KunX坤興、UIBI柚比、TOMMOX拓米士、Stiger斯泰克、Power7tech泰克威與Redot慧多科技等多家企業(yè)。氮化鎵在民用快充領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)觸手可及。

在氮化鎵襯底方面，我國已經(jīng)小批量生產(chǎn)2英寸襯底，具備4英寸襯底生產(chǎn)能力，并開發(fā)出6英寸襯底樣品。氮化鎵生產(chǎn)或應(yīng)用在我國也已經(jīng)有大批企業(yè)涉足，包括納維科技、中鎵半導(dǎo)體、蘇州晶湛、大連芯冠科技、中晶半導(dǎo)體、聚能晶源、英諾賽科、華潤微、蘇州能訊、江蘇能華、士蘭微、華功半導(dǎo)體、三安集成、海威華芯等，技術(shù)水平逐步完善。未來方象知產(chǎn)研究院將持續(xù)關(guān)注這些企業(yè)的技術(shù)及應(yīng)用特點(diǎn)。

氮化鎵市場空間巨大，隨著氮化鎵技術(shù)完善，成本降低，應(yīng)用逐步落地，國內(nèi)外企業(yè)競爭將愈加激烈。眾多行業(yè)也將迎接新的技術(shù)革新，在這場競爭中技術(shù)能力和落地應(yīng)用也將直接決定競爭力。

波士頓大學(xué)與臺灣晶電的專利侵權(quán)案件硝煙仿佛剛剛散去，氮化鎵應(yīng)用落地的商業(yè)戰(zhàn)場已經(jīng)逐漸走進(jìn)我們的生活。就像當(dāng)初波士頓大學(xué)Moustakas教授的專利US5686738推動了LED變革并促進(jìn)了第二次照明革命一樣，未來氮化鎵的應(yīng)用落地也勢必又會有一大批相關(guān)專利授權(quán)或侵權(quán)之爭，或許專利US5686738案件能夠給相關(guān)企業(yè)提示和借鑒意義。

方象知產(chǎn)研究院將持續(xù)關(guān)注高價值專利所涉及的技術(shù)革新以及行業(yè)趨勢，持續(xù)關(guān)注技術(shù)價值所帶來的投資機(jī)會，基于技術(shù)演進(jìn)特點(diǎn)提出技術(shù)布局參考；對專利布局和專利保護(hù)的法律問題進(jìn)行持續(xù)研究和研討。