氮化鎵半導體材料發(fā)展現狀.docx

此文檔收集于網絡，僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除氮化鎵半導體材料發(fā)展現狀 氮化鎵基半導體材料是繼硅和砷化鎵基材料后的新一代半導體材料，被稱為第三代半導體材料，它具有寬的帶隙，優(yōu)異的物理性能和化學性能，在光電子領域具有廣泛的應用前景和研究價值。 用GaN基高效率藍綠光LED制作的超大屏全色顯示，可用于室內室外各種場合的動態(tài)信息顯示。作為新型高效節(jié)能固體光源，高效率白光LED使用壽命超過10萬小時，可比白熾燈節(jié)電510倍，達到節(jié)約資源、減少環(huán)境污染的雙重目的。GaN基LED的成功，引發(fā)了光電行業(yè)中的革命，發(fā)出藍光和紫外線的氮化鎵激光器也被用于高密度的DVD內，大大促進了音樂、圖片和電影存儲技術的發(fā)展。利用GaN材料，還可以制備紫外光探測器，它在火焰?zhèn)鞲?、臭氧檢測、激光探測器等方面具有廣泛應用。 在電子器件方面，利用GaN材料，可以制備高頻、大功率電子器件，有望在航空航天、高溫輻射環(huán)境、雷達與通信等方面發(fā)揮重要作用。例如在航空航天領域，高性能的軍事飛行裝備需要能夠在高溫下工作的傳感器、電子控制系統(tǒng)以及功率電子器件等，以提高飛行的可靠性，GaN基電子器件將起著重要作用。此外由于它在高溫工作時無需制冷器而大大簡化電子系統(tǒng)，減輕了飛行重量。 本報告針對氮化鎵材料相關專利進行檢索和分析，并結合有關報道分析技術發(fā)展現狀，通過對氮化鎵領域的專利分析揭示該領域當前的專利活動特點，為科技決策和課題研究提供支持。檢索數據來源于美國湯森路透科技公司的Derwent Innovation Index數據庫，利用關鍵詞設計檢索策略，共計檢出相關專利23234項，數據檢索日期為2015年6月30日。所采用的主要分析工具為TDA（Thomson Data Analyzer）、TI（Thomson Innovation）和Innography。氮化鎵專利數量趨勢分析 氮化鎵專利申請已有50多年歷史，最早是1963年由美國柯達公司申請的。遺憾的是，由于受到沒有合適的單晶襯底材料、位錯密度較大、n型本底濃度太高和無法實現p型摻雜等問題的困擾，氮化鎵曾被認為是一種沒有希望的材料，因而發(fā)展十分緩慢。 直到1989年，松下電器公司東京研究所的赤崎勇和弟子天野浩在全球首次實現了藍光LED；1993年，日本日亞化學工業(yè)公司（Nichia）的中村修二克服了兩個重大材料制備工藝難題：高質量GaN薄膜的生長和GaN空穴導電的調控，獨立研發(fā)出了大量生產GaN晶體的技術，并成功制成了高亮度藍色LED。因此，20世紀90年代后，隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善，GaN基器件的發(fā)展十分迅速，專利數量快速增長，進入發(fā)展的黃金時期。 2006年-2009年，氮化鎵專利數量的增長較為緩慢，甚至出現專利量減少的情況（2009年），但2010年開始，專利數量又急劇增加，這種變化可能顯示在該時間曾經出現了一個技術上的突破或者關鍵進展。由此來看，GaN材料在未來幾年內可能又會形成一次研究熱潮。 美國和日本在GaN的研究上起步較早。20世紀90年代左右，日本率先克服了GaN材料制備工藝中的難題，掌握了生產高質量GaN薄膜的技術，隨后引發(fā)了GaN領域的研究熱潮，專利數量急劇增加；美國則比日本晚了5年左右，但隨著技術的不斷創(chuàng)新，美國與日本的差距逐漸減小，2010年美國的專利數量趕超了日本。中國和韓國均是20世紀90年代以后才有了專利申請，由于此時技術上已經突破了瓶頸，因此專利數量增長較快，逐漸在國際上占據了一席之地。氮化鎵專利區(qū)域布局分析 GaN材料的大部分專利掌握在四個國家手中，其專利數量占據了全球專利總量的90%之多，分別是日本（38%）、美國（21%）、中國（16%）、韓國（15%）。四大主要專利來源國在國際市場均有不同程度的專利布局，日本在美國的專利申請比例高達34.5%（日本專利總量為9449項），美國在WO和日本的專利申請比例分別達到37.4%和24.9%（美國專利總量為5304項），韓國在美國的專利申請比例高達48.1%（韓國專利總量為3864項）。中國在國外也有較多的專利布局，但比例與其他三個國家相差較遠。氮化鎵專利技術領域布局分析 基于德溫特手工代碼（Manual Code，MC）的統(tǒng)計，對氮化鎵專利涉及的器件類型和加工工藝進行分析。1.器件類型 根據對MC的統(tǒng)計，氮化鎵專利涉及到的器件類型主要有發(fā)光二極管（light emitting diodes，LED）、場效應晶體管（field effect transistors，FET）、激光二極管（laser diodes，LD）、二極管、太陽能電池等。其中FET涉及多種類型的器件：IGFET、HEMT、MOSFET、bipolar transistor、JFET、MISFET、IGBT等。二極管主要涉及整流二極管、光電二極管等。2.加工工藝 半導體器件加工方面涉及的主要技術有：電極、沉積方法、介電層、外延生長、刻蝕、摻雜、歐姆接觸、封裝、退火等。其中沉積方法主要是化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD），共涉及一千余項專利，外延生長大都用CVD方法?？涛g工藝主要有光刻蝕、化學刻蝕、等離子刻蝕、離子束刻蝕等。歐姆接觸在金屬處理中應用廣泛，實現的主要措施是在半導體表面層進行高摻雜或者引入大量復合中心，所用方法主要是離子注入。核心技術1.氮化鎵專利熱點領域及核心技術分析 使用Thomson Innovation繪制了氮化鎵領域專利地圖（圖2），可以看出，氮化鎵的應用領域主要是LED、FET、LD、太陽能電池、功率器件等方面，LED和FET是熱點研發(fā)領域，其中FET的專利中主要是對HEMT（高電子遷移率晶體管）的研究。涉及的技術領域主要有半導體單晶生長、歐姆接觸、封裝、刻蝕等，其中半導體單晶生長是熱點研究領域，目前常用的方法是MOCVD（金屬有機化學氣相沉積），也稱MOVPE（金屬有機物氣相外延）。根據上文對德溫特手工代碼的分析，結合TI專利地圖以及相關文獻報道，氮化鎵核心技術主要涉及外延生長、p型摻雜、歐姆接觸、刻蝕工藝等方面。2.氮化鎵領域高價值專利分析 采用Innography分析工具對專利價值進行評價，TOP 10高價值專利中有8項是美國的科銳（Cree）公司所有，其余兩項分別是德國歐司朗（Osram）和日本日亞化學（Nichia）申請，從涉及的技術領域看，大都是對LED器件的開發(fā)，其中科銳公司較多涉及白光LED的專利。對專利強度在9級以上的GaN專利進行統(tǒng)計，發(fā)現美國專利占59.3%，日本專利占16.3%，而我國僅占0.6%，可見我國仍需加強核心技術的研發(fā)和保護。重點機構1.國際重點機構研發(fā)實力分析 氮化鎵領域專利申請量排名前15位的專利權人中，日本機構有11家，分別是住友、松下、三菱、夏普、東芝、豐田、索尼、富士通、日立、日亞化學、羅姆；韓國共2家，分別是三星和LG；中國的中科院（第6位）和美國的加州大學（第15位）也進入前15位。除中國和美國的專利權人為科研院所/高校外，其他TOP 15的專利權人均為企業(yè)，基本是全球知名的電器及電子公司或大型企業(yè)集團。TOP 15的機構均保持了較為活躍的研發(fā)狀態(tài)，其中中科院、三菱、富士通、加州大學、東芝、LG近三年的專利百分比都在20%以上。 對TOP 30專利權人進行合作關系分析，發(fā)現日本各機構之間的合作較多，其中日本住友集團、豐田集團和三菱集團比較重視與其他機構的合作。歐美的機構中歐司朗與英飛凌有兩項專利合作，其他機構合作關系并不密切。中科院與日本索尼公司有一項合作，臺灣地區(qū)的臺灣工業(yè)技術研究院分別與日本昭和、美國科銳以及臺灣Epistar有不同程度的合作。 從技術布局來看，除富士通專注于FET方面的專利布局外，其他機構在LED領域的專利申請量都占據了較大比重，其中LG、三星和松下的專利數量占據前三位；FET領域專利數量較多的機構有住友、富士通、東芝、松下等；松下、住友、夏普、索尼等公司除了在LED領域有較多的專利布局，在LD領域也有突出表現，而韓國三星和LG則在此領域布局較少。在技術層面，各專利權人都比較重視在電極、沉積方法、介電層和外延生長方面的研發(fā)。2.國內重點研發(fā)機構 在國內專利數量TOP 10的專利權人里，公司和高校/科研機構的數量相當。從專利的涉及年份來看，中科院、北京大學、南京大學進入該領域的時間較早（上世紀90年代中后期），而企業(yè)則相對較晚，但近幾年的研發(fā)都較為活躍。不同機構從事的技術領域各有偏重，西安電子科技大學、中國電子科技集團公司第五十五研究所主要研究領域為FET，其他8家機構則偏重LED的研究。 中科院共有28個下屬科研機構申請了氮化鎵專利，主要研究所有：半導體研究所、微電子研究所、蘇州納米技術與納米仿生研究所、上海技術物理研究所等，其中半導體研究所的實力最為雄厚，專利數量為305項。主要結論 1.從20世紀60年代起就有GaN專利申請，但發(fā)展十分緩慢，90年代后隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善，Ga