围绕氮化镓和金刚石集成的专利活动

Rémi Comyn，KnowMade

氮化镓电子器件，特别是基于氮化镓的高电子迁移率晶体管（HEMT），正越来越多地应用于射频和功率转换领域。然而，在要求最苛刻的应用中，氮化镓器件的性能和可靠性可能会受到热因素的限制。某些形式的富集单晶合成金刚石在室温下具有已知固体中最高的热导率。¹ 因此，将金刚石集成到氮化镓电子器件中可以显著改善氮化镓器件的热管理。然而，迄今为止，这种集成在技术上一直充满挑战。² KnowMade在其最新的氮化镓电子器件分析报告中，根据最近在该领域提交的专利申请，重点介绍了在电子器件中利用氮化镓与金刚石集成的工作。

许多新人进入这一知识产权领域

专利分析的范围很广。它考虑了所有声称将金刚石与氮化镓电子器件集成的专利申请，而不区分材料，因此包括使用单晶金刚石、多晶金刚石和其他种类金刚石的申请。分析并不区分集成金刚石的工艺。这种集成可以是钝化层、基板、散热器或其他用途。分析也没有区分金刚石是以外延、键合还是其他方式集成的。

根据这些指导方针，图1描述了与将金刚石材料与氮化镓集成的技术挑战相关的知识产权（IP）活动的时间演变。如图1所示，在2000年代，专利活动非常少，但在2010年代初，专利活动急剧增加。专利活动增加的推动力是Element Six和Group4 Labs等先驱者的努力。

图1：与采用金刚石材料的氮化镓电子器件有关的发明（专利家族）数量。资料来源：KnowMade。

Group4成立于2003年，是一家美国初创公司，2008年与Element Six合作。Group4随后于2013年被Element Six收购。2016年，新成立的Akash Systems与RFHIC达成协议，共同协商回购Element Six的金刚石基氮化镓知识产权。Akash获得了与金刚石基氮化镓技术相关的所有专利和其他知识产权，用于卫星通信和相关市场。

2021年，专利申请数量急剧增加，这主要是由于中国企业的加速发展，如中国电子科技集团公司（CETC）有29项发明，西安电子科技大学有44项发明。自2021年以来，在30多家新的知识产权主体（尤其是武汉大学、深圳大学和太原理工大学等中国研究机构，以及上海功成半导体公司、化合积电（厦门）半导体科技有限公司等中国企业）的加入支持下，专利申请活动相对稳定。

除中国外，日本的Air Water公司与大阪市立大学合作，最近也进入了这一领域。这项合作共同申请了专利WO2023/048160，并于2023年初公布。专利公布后，2023年底又发表了一篇科学论文。³ 在这篇论文中，研究人员介绍了一种基于在硅衬底上形成的3C-SiC层上异质外延GaN的方法。然后，移除硅衬底，根据第一项专利权利要求，将氮化镓-3C-SiC叠层键合到导热支撑层上，导热支撑层可以由金刚石或多晶SiC制成。迄今为止，约有30个专利家族公开了基于键合技术将金刚石材料与氮化镓电子器件集成在一起的方法。

然而，氮化镓材料与金刚石衬底的键合在技术上具有挑战性，因此人们开发出了替代方法。例如，成立于2016年、总部位于迪拜的初创公司Wonder CVD于2023年进入氮化镓电子器件专利领域，提交了US20230307249号专利申请。该专利描述了在SOI衬底的硅（111）薄层上生长多晶金刚石，去除基底层和氧化层，然后在硅（111）薄层的另一个表面进行GaN的异质外延。

另一个有趣的例子是欧洲的imec和UHasselt之间的合作，在专利EP4125113中有所描述，尽管该专利申请似乎已于2023年8月放弃。该发明涉及在氮化镓材料和多晶金刚石材料之间形成稳定连接的纳米晶金刚石层。此外，纳米晶金刚石层有望进一步促进氮化镓电子器件的散热。

虽然前面的例子描述了金刚石材料与氮化镓器件层接触或相对接近的集成，但美国初创公司Diamond Foundry在2023年以一种不同的方式进入了氮化镓电子器件专利领域。在专利申请US20230411459中，Diamond Foundry披露了一种金刚石衬底，可用作GaN或SiC器件的封装衬底，以替代电动汽车应用中使用的硅基IGBT芯片。Diamond Foundry是该领域为数不多的以电力应用为目标的公司之一。总体而言，在所有与金刚石集成相关的发明中，明确以电力电子为目标的发明不到10%。图2显示了US20230411459中的一张图纸，说明了Diamond Foundry对其金刚石衬底的想法。

图2：Diamond Foundry的单晶金刚石晶圆专利图

知识产权领先者

通过比较主要专利权人的进行中的专利申请数量和已授权专利数量，可以深入了解特定技术的全球知识产权竞争情况。图3显示了金刚石材料与氮化镓电子器件集成的知识产权情况。图3在x轴上绘制了进行中的专利申请数量，在y轴上绘制了已授权专利数量。在这些指标的交叉点上，气泡的大小代表了研究中所选专利族的数量。图3的结果显示，RFHIC是目前氮化镓和金刚石相关知识产权领域的领先者，但RF GaN市场上的几家公司已将自己定位为挑战者。可以看出，Akash Systems是RFHIC最接近的竞争对手，但在专利申请和专利授权方面略逊一筹。不过，RTX、三菱电机、西安电子科技大学和CETC等公司的专利申请量都超过了RFHIC，未来可能会构成强有力的竞争。此外，三菱电机、西安电子科技大学和CETC拥有的氮化镓和金刚石相关专利家族数量相当或更多。RFHIC目前的知识产权领先地位主要继承自Group4和Element Six的专利活动，尽管RFHIC在2018年专利交易后不久就披露了几项发明。⁴

图3：将金刚石集成到GaN的知识产权的发展情况。资料来源：KnowMade。

KnowMade在其2023年氮化镓电子器件知识产权报告中分析了这一领域知识产权的发展情况，并指出RFHIC在金刚石基氮化镓晶圆和外延片方面的知识产权优势，而这正是射频氮化镓供应链的上游环节。在这部分供应链中，除西安电子科技大学外，RFHIC在知识产权方面没有强大的挑战者。由于西安电子科技大学的大部分专利都是最近才申请的，而且都是在中国申请的，因此，尽管中国大学披露的发明数量相对较多，但其在知识产权方面的领先优势仍然有限。相比之下，RFHIC的专利组合保护了其在许多不同国家，尤其是欧洲、日本、美国和韩国，的权利。

有趣的是，RFHIC在2021年恢复了专利活动，公布了七项与金刚石基氮化镓相关的新发明。同时，他们还确认了一项全球知识产权战略，尤其是一项受多项国外专利（包括六项美国专利）保护的发明。该发明涉及通过金刚石层将III-氮化物层从硅生长基底转移到支撑晶圆。该方法的不同方面已通过各种专利申请得到保护。例如，III-氮化物层和金刚石层之间的中间层（US11652146）、硅/金刚石复合支撑晶圆（US11652146）和支撑晶圆的沉积（例如US11476335中的多晶GaN或多晶硅）、载体晶圆（例如US11424328中提到的碳化硅载体）以及在此类工程基板上形成通孔，如专利申请US11901418和US11901417中所述。图4显示了这些专利和RFHIC获得的其他专利中有关氮化镓/金刚石晶圆的图纸。

图4：RFHIC最近获得的与氮化镓/金刚石晶圆相关的美国专利。

与RFHIC一样，美国公司Akash Systems在从Element Six收购专利后也只公布了几项发明。2018年，Akash公布了两个专利家族，提到了在器件级将金刚石作为衬底和封装级作为基础进行集成，以改善卫星通信中使用的发射机的热管理（US10332820、US10374553）。有趣的是，这家美国初创公司在2020年恢复了其知识产权活动，发布了七项发明，旨在扩大其在射频氮化镓供应链中的覆盖范围。这些最新发明不仅涉及封装、模块和系统，还涉及晶圆、外延片和器件。

三菱电机于2017年开始专利申请工作，并在该领域保持稳定的知识产权活动。与其他旨在保护整个供应链发明的竞争对手相比，三菱电机的知识产权战略似乎侧重于开发与金刚石基氮化镓器件技术相关的各个环节。从外延片开始，GaN层转移（US20230083507）和GaN键合（US2020230920）技术已被公开，用于将GaN器件与金刚石衬底集成。另一种方法是在氮化镓器件下方局部集成金刚石，具有良好的粘附特性，对氮化镓外延层的损伤有限。图5显示了这一概念，图纸来自2020年授予三菱电机的US10720374专利。此外，该公司还拥有多项与在凹陷金刚石衬底上制造氮化镓器件有关的专利（如US11482464）。

图5：在氮化物层上形成金刚石层。

结论

与将金刚石材料集成到氮化镓电子器件中有关的知识产权活动在氮化镓电子器件专利领域仍处于边缘地位。相比之下，这些活动在2023年公开的与射频氮化镓有关的所有发明中仅占不到10%。然而，通过对知识产权竞争的分析，可以看出近年来一些市场参与者的活动非常活跃，从这些参与者公开的发明数量和在多个国家为保护其一些关键发明而提交的专利申请数量来看都是如此。此外，由于这一领域的成熟企业数量有限，新进入者似乎有机会在这一领域取得突破，不仅在技术方面，而且在知识产权方面。

参考文献

1.  “Material Properties of Diamond,” Wikipedia, Web: en.wikipedia.org/wiki/Material_properties_of_diamond#Thermal_conductivity.

2.      “All about GaN,” KnowMade, Web: knowmade.com/patent-analysis-expertise/semiconductor-expertise/power-electronics-devices-expertise/all-about-gan.

3.     R. Kagawa, Z. Cheng, K. Kawamura, Y. Ohno, C. Moriyama, Y. Sakaida, S. Ouchi, H. Uratani, K. Inoue, Y. Nagai, N. Shigekawa and J. Liang, “High Thermal Stability and Low Thermal Resistance of Large Area GaN/3C-SiC/Diamond Junctions for Practical Device Processes,” Wiley Online Library, Web: onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305574.

4.     “GaN Electronics Patent Landscape Analysis 2023,” KnowMade, November 2023, Web: nowmade.com/patent-analytics-services/patent-report/gan-electronics-patent-landscape-analysis-2023.