第三代半导体爆发前夜：中美第三代半导体材料技术对比

IPRdaily导读：相较于第一代和第二代，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性，可在新能源汽车、高速轨道交通、5G通信、光伏并网、消费类电子等多个重点领域广泛应用。在美国对我国半导体产业技术封锁持续升级的大环境下，中美双方对第三代半导体材料的专利布局均十分重视。由于该领域技术发展仍处于产业爆发前的“抢跑”阶段，中美差距相对不大，因此第三代半导体材料有望成为我国半导体产业的突围先锋。

随着全球贸易摩擦的持续，半导体作为信息产业的基石，成为了科技强国技术创新的必争之地。

一

中美半导体行业整体情况对比

①从发展历程来看，中国半导体产业21世纪才真正起步，较美国晚了50多年。

图1  中美半导体产业发展历程对比

资料来源：IC insight 前瞻产业研究院

②从半导体企业销售额来看，2020年，半导体行业4123亿美元的全球营收中，美国公司占据47%，而中国大陆的公司只占5%，中美差距依然非常明显。

图2  2020年全球半导体行业营收各国占比

资料来源：SIA《2020年美国半导体行业现状》

③从未来产业发展趋势来看，虽然中美产业差距仍然存在，但机遇并存。第三代半导体材料将成为中国逆势翻盘的机会。

半导体材料发展至今经历了3个阶段，第一代以硅为代表，第二代以砷化镓为代表，第三代则以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）和金刚石为四大代表，其中又以SiC和GaN为主。

相较于第一代和第二代，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性，可在新能源汽车、高速轨道交通、5G通信、光伏并网、消费类电子等多个重点领域广泛应用。在美国对我国半导体产业技术封锁持续升级的大环境下，中美双方对第三代半导体材料的专利布局均十分重视。由于该领域技术发展仍处于产业爆发前的“抢跑”阶段，中美差距相对不大，因此第三代半导体材料有望成为我国半导体产业的突围先锋。

二

中美第三代半导体材料专利对比分析

由于碳化硅及氮化镓为第三代半导体材料中的主要材料，可基本代表第三代半导体材料的发展情况，因此本节将围绕涉及两种材料的半导体领域相关专利对中美情况开展对比分析，以识别中美双方具化差异。

1. 总量对比分析

图3 中美两国涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体领域相关专利总量 （项）对比图

数据来源：大为innojoy专利检索系统

检索日期：2021年10月8日

全球涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体领域相关专利共计23738项。我国共布局专利5232项，专利申请总量略占优势，美国稍逊一筹，布局专利2772项。

2. 专利年度申请趋势对比分析

图4  中美两国涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体领域相关专利年度申请量（项）趋势对比图 

数据来源：大为innojoy专利检索系统

检索日期：2021年10月8日

美国专利布局虽早于中国近20年，但在2001年之前，该技术年申请量持续低于100项，2001年后年申请量保持在百项左右的水平，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，专利年申请量在2008年之后呈现快速增长态势，并于2009年超过美国，在2019年更是达到了709项的峰值，这种发展态势体现了中国近十年对第三代半导体主要材料的高度重视，也在一定程度上展示了与美国一较长短的实力。

3. IPC分类对比分析

在涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体相关领域，中美两国技术研究方向十分相似，在专利申请量排名前10的技术大组中，中美两国在9个技术领域发生了重合。而在技术研发热点及创新活跃度上存在细微差异。

图5  中国涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体相关专利IPC技术分布及创新活跃度 

数据来源：大为innojoy专利检索系统

检索日期：2021年10月8日

近五年来，中国研发势头迅猛，专利布局集中于H01L21和H01L29领域，其次为H01L33领域，从创新活跃度来看，C30B29和C30B25领域是当前中国的研发新热点。

图6  美国涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体相关专利IPC技术分布及创新活跃度

数据来源：大为innojoy专利检索系统

检索日期：2021年10月8日

美国近几年的专利申请数量以及技术创新活跃度均不及中国，近5年申请量最高仅184项，技术活跃度最高仅50%。从近5年专利布局情况来看，布局集中于H01L21和H01L29领域，与中国情况较为一致。除此之外，中国和美国在H01L25和H01S5领域布局的专利分别进入了自己的榜单中，但并未出现在对方的榜单之中，这也为当前双方的差异点。

4. 重点申请人对比分析

在相关专利技术中，美国重点申请人中80%为企业，其中克里公司（299项）、通用电气（132项）以及国际商业机器公司（111项）为申请人top3。加州大学以及北卡罗来纳州立大学为入围申请人top10的两所高校。

图7  美国涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体相关专利重点申请人top10

数据来源：大为innojoy专利检索系统

检索日期：2021年10月8日

在中国重点申请人top10中，60%的创新主体为高校及科研院所，这在一定程度上说明国内该技术领域仍处于研发阶段，距离实际落地应用还有一定的距离。上榜企业较少，仅有4家，分别为华灿光电、深圳方正微电子、北大方正集团以及三安集成电路。其中华灿光电共布局专利212项，仅略低于美国重点申请人榜首的克里公司。

图8  中国涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体相关专利重点申请人top10

数据来源：大为innojoy专利检索系统

检索日期：2021年10月8日

5. 专利布局分析

美国对涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体相关专利的对外布局十分重视，超90%的专利拥有2个以上同族，同族数最高超过18。而中国85%的专利仅在本土申请，未进行对外布局，这不仅体现了我国专利对外布局意识的薄弱，还在一定程度上说明了该领域专利申请存在量大质低的问题。

图9 中美两国涉及氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的半导体相关专利同族数分布

数据来源：大为innojoy专利检索系统

检索日期：2021年10月8日

6. 未来前景分析

表1 近五年中国第三代半导体领域相关活动及政策

日期

相关活动与政策

2021年8月

8月14日，工信部宣布将碳化硅(SiC)复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划。

2021年5月

国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议召开，会上讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。

2021年3月

新华网刊登了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，其中“集成电路”领域，特别提出碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体即第三代半导体要取得发展。

2020年7月

国务院发文《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中指出，国家鼓励集成电路企业，自获利年度起，第一年至第二年免征企业所得税，第三年至第五年按照25%的法定税率或减半征收企业所得税。

2019年12月

国务院在《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确要求加快培育布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展。

2019年11月

工信部印发《重点新材料首批次应用示范指导目录》，其中GaN单晶衬底、功率器件用GaN外延片、SiC外延片，SiC单晶衬底等第三代半导体产品进入目录。

2019年6月

商务部及发改委在鼓励外商投资名单中增加了支持引进SiC超细粉体外商企业。

2016年7月

国务院推出了《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》，其中首次提到要加快第三代半导体芯片技术与器件的研发。

根据专利对比分析可以发现，中国在专利申请总量、申请态势及创新活跃度上具有明显优势。且技术发展方向也与美国较为一致，在H01L21和H01L29等技术领域中拥有高于美国的研究热度。但同时存在专利质量偏低的问题，后期在国家政策的大力推动下，应注意弥补这一明显劣势。

半导体产业是中美科技与经济战中的重要“战场”，第三代半导体正处于产业爆发前的“抢跑”阶段，国际巨头还未形成专利、标准和规模的完全垄断。我国在市场和应用领域有战略优势，从2016年开始，政府不断出台与第三代半导体发展相关的支持政策，在新能源汽车、5G通讯、快充等新兴应用的推动之下，第三代半导体已呈现出明显的爆发趋势。未来，随着政策、技术、产品、企业等要素的投入，我国第三代半导体产业将迎来高速发展，有机会实现核心技术突破和产业战略引领，重塑全球半导体产业格局。