2010年半导体照明关键技术专利分布状况分析

2010年半导体照明关键技术专利分布状况分析
2011-8-29 9:48:05 中国半导体照明网《半导体照明》杂志国家知识产权局知识产权发展研究中心行业分类:其它浏览

　　截至2010年8月，在全球专利数据库（EPODOC和WPI）中共检索到全球范围内涉及LED照明技术的专利申请124371项（合并同族后），在中国专利数据库中共检索到中国专利申请为30682件。对四个重点技术：外延生长、芯片制造、器件封装、应用领域检索到的全球专利申请分别为12937项、8683项、30223项、80209项；中国相关专利申请分别为1645件、1227件、4628件、23268件。

　　我国近几年半导体照明产业取得了跨越式的发展，但始终伴随着诸多的挑战和风险，其中知识产权问题是阻碍国内产业发展的主要瓶颈之一。因此，进行相关专利研究与预警工作非常重要。

一、半导体照明专利技术概况

　　1.专利申请区域分布

　　从半导体照明技术领域全球专利申请的区域分布可以看出（如图1），该领域的专利申请主要分布在日本、美国、中国、韩国、中国台湾、欧洲（即在欧洲专利局申请）、德国、澳大利亚、加拿大、英国、法国、印度等国家／地区。其中在日本提出的专利申请量为55486项，占全球申请总量(124371项)的44.6%，其申请量占全球申请总量的比例将近1/2；在美国和中国提出的专利申请量分别为34385项和33867项，分别位列第二和第三，占全球申请总量的比例分别为27.6%和27.2%，两者申请量和申请比例比较接近；另外韩国、中国台湾、欧洲以及德国的专利申请量也比较高，而其它国家的申请量相对偏低。总体来看，半导体照明技术领域在日本、美国和中国的专利申请最为活跃，在韩国、中国台湾、欧洲以及德国的专利申请也比较活跃，其中在我国的专利申请量仅低于在日本和美国的申请量，说明中国在半导体照明技术领域已经成为全球非常重视的区域。

　　从半导体照明技术领域全球专利申请的原创区域分布可以看出（如图2），该领域专利申请的原创区域主要分布在日本、中国、美国、韩国、中国台湾、德国、欧洲（即在欧洲专利局申请）、英国、法国、澳大利亚等国家／地区。其中在日本原创的专利申请量为49552项，占全球申请总量(124371项)的39.8%，远超其它国家／地区所占的比例。在中国和美国原创的专利申请量列第二位和第三位，分别为25777项和18402项，占全球申请总量的20.7%和14.8%。需要注意的是，尽管在中国原创的专利申请量超过在美国原创的专利申请量，但在中国原创的专利申请中实用新型的比例偏高，而且在华的外资企业和台资企业的申请量较大，因此并不能盲目乐观。

　　对原创区域的专利申请区域分布状况（如表1）分析显示，日本、美国、韩国和德国比较注重在国外的专利布局，其中日本、中国、美国、韩国、中国台湾、德国以及欧洲（在欧洲专利局申请）是普遍较为关注的专利布局区域，而美国和日本特别善于利用PCT国际申请的方式在全球进行专利布局。

　　另外对中国来说，除在本国的申请量较大外，在国外进行布局的情况不尽人意，在美国仅有955项的专利申请，在其它国家／地区的申请量非常少，说明国内申请人的专利国际化程度非常低，特别是利用PCT申请的方式进入国外的申请数量不多，仅占在中国原创的专利申请的1.4%，反映了国内申请人利用PCT申请的能力比较欠缺。

　　2. 申请人分布状况

　　表2列出了申请量居前20位的申请人，其中日本的申请人最多，共有15位，并且日本申请人的申请量总和占全球专利申请总量的21.59%，可见日本在全球专利申请中占有较大份额，处于绝对优势地位。韩国申请人中三星和LG的申请量也比较多，反映了韩国在全球进行专利申请的力度较大。另外业内知名厂商如荷兰的飞利浦和德国的欧司朗也位列其中，而中国台湾地区只有富士康的申请量稍多，中国大陆地区的申请人排名比较靠后，由此可见中国申请人的技术实力与日本和韩国申请人相比差距较大。

　　3.中国专利现状及趋势分析

　　截至2010年8月5日，中国与半导体照明技术相关的专利申请总量为30682件，其中国内申请人（包括港澳台申请人）提出申请共计25612件，占申请总量的83.5%，国外申请人提出的申请共计5070件，占申请总量的16.5%。

　　(1）专利申请类型分布

　　在专利申请类型分布上，发明专利申请共计13044件（包括2333件PCT申请），占申请总量的42.5%，而实用新型专利申请共计17638件（包括4件PCT申请），占申请总量的57.5%，可见中国专利申请中实用新型的比例偏高，反映了中国地区专利申请的整体质量偏低。

　　(2）专利申请技术分布

　　在半导体照明技术领域，根据技术特点及产业习惯，可大致分为外延技术、芯片制造、芯片封装以及市场应用四个分支。在中国专利申请中，涉及市场应用的专利申请量多达23268件，占申请总量的75.8%，涉及封装的专利申请量4628件，占申请总量的15.1%，而涉及产业上游的外延技术和芯片制造的申请量很少，可见中国地区的专利申请仍集中在半导体照明产业的中下游，在产业中上游的关键技术方面专利申请数量明显偏低。

　　(3）有效专利分布

　　目前在我国有效的发明专利和实用新型专利共17506件，其中有效的发明专利共3722件，有效的实用新型专利共13784件。从表3可知，在半导体照明技术领域的有效专利中，稳定性较高的发明专利权占有效专利权总量的21.3%，而稳定性较低的实用新型专利权占有效发明和实用新型专利权总量的78.7%，因此在该领域中有效专利权总体稳定性较差。

　　国内申请与国外在华申请中有效发明专利权数量相差不明显，但是国内申请中有效实用新型专利的数量远远超过国外在华申请中有效实用新型专利的数量，说明国内申请中有效专利权的主体是实用新型专利，专利权的稳定性相对较差。

　　4. 国外申请人在华专利

　　(1）专利申请类型分布

　　国外在华专利申请量为5070件，其中98.2%均为发明专利申请，而且发明专利申请中有将近一半为PCT申请，而实用新型专利申请仅占国外在华专利申请量的1.8%。由于发明专利的稳定性要高于实用新型，而且保护期限也长于实用新型，这表明国外申请人期望在较长时间内拥有我国的专利权，而且国外申请人也善于利用国际申请在中国进行专利布局。

　　(2）专利申请区域分布

　　国外在华申请主要分布在日本、美国、韩国、德国和荷兰等国家，其中日本在华申请量多达2568件，明显高于其它国家，占国外在华申请量的50.7%，其次是美国在华申请专利821件，另外韩国、德国和荷兰在华申请量也比较多，其余国家在华专利申请量明显较少。可见，日本、美国、韩国、德国和荷兰比较重视中国的半导体照明市场，已经在中国进行专利布局。由于上述国家集中了半导体照明技术领域的几大厂商，因此对国内的专利布局以及市场开拓构成威胁。

　　(3 )专利申请人分布

　　从国外在华专利申请的申请人分布状况看，申请量居前3位的是飞利浦、三星和欧司朗，分别占国外在华申请总量的6.92%、5.82%和5.66%，但是在排名前20位的申请人中，日本申请人占有14位，其申请量总和占国外在华申请总量的32.35%。由此可见，日本申请人非常重视中国的半导体照明市场，在该领域的专利申请中占据优势地位；另外业内知名的国际厂商如Cree、日亚化学、丰田合成等也都有不同程度的专利申请。

　　(4) 专利申请技术分布

　　国外在华专利申请中，涉及市场应用的专利申请量最高，达到2137件，占国外在华申请量（5070件）的42.1%，涉及封装的专利申请量1544件，占国外在华申请量的30.5%，而涉及产业上游的外延技术和芯片制造的申请量相对较少，可见国外申请人在半导体照明产业的中下游方面进行专利布局的力度也很大，因此国内申请人在关注产业中上游关键技术的同时，有必要加强产业中下游知识产权的创造、运用和保护。

二、LED照明领域重点技术专利情况

　　在半导体照明技术领域，重点技术主要包括上游的外延生长、芯片制造技术，中游的器件封装技术、下游的产品应用技术。其中，下游应用技术（占全球64.5%，占中国75.8%）专利申请所占比重最大，其次是中游封装技术（占全球24.3%，占中国15.1%），以及上游外延技术（占全球10.4%，占中国5.4%）和芯片技术（占全球7.0%，占中国3.9%）。然而从国外来华专利申请比重来看，国外企业在我国明显更关注中上游的专利布局，特别是上游外延生长和芯片制造领域，值得关注。

　　1.外延领域发展平稳，国外专利布局仍然较多

　　外延领域发展较平稳，近几年中国专利申请量增长明显，但国外专利布局仍然较多。专利技术主要集中于衬底氮化镓、碳化硅以及外延层的有源层的材料、结构及制造方法方面的改进方面，国内申请人在复合衬底、硅衬底、ZnO有一定技术实力。全球外延生长技术领域专利申请共计12937项，近五年的申请量占总量的33.4%，发展趋势较平稳，外延生长技术处于半导体照明产业链的上游，是制约整个产业发展的关键因素，其重要程度不言而喻。由于该技术是一个较基础的研发领域，申请人和申请量都相对较稳定，也表明研发门槛较高。研究表明，外延领域的重要专利主要掌握在少数国外申请人的手中，如住友、日亚化学和Cree等，并且这些重要专利通常在多个国家，甚至在同一国家申请获得多项专利权，从多个不同角度对其发明进行较为全面的保护，其专利布局相对较严密。近几年中国相关专利申请量增长较明显，其中以日本、美国申请人为代表，国外来华专利申请主要集中于GaN、SiC等新材料衬底领域，而国内申请人专利主要集中于复合衬底、硅等传统材料衬底领域，虽然目前国内与国外来华申请人关注点有所不同，专利交集较小，但未来产业发展方向的GaN、ZnO材料等衬底领域一旦被国外申请人布局完成将会影响和制约我国半导体照明产业的发展。另外，国内申请人在该技术领域的权利要求撰写中多以制造的工艺方法进行保护，而国外申请人的权利要求则多为产品，且以材料参数限定的居多，保护范围较大。综合来看，在外延生长技术领域面临较大挑战，值得相关企业关注。全球在外延生长领域的主要研发机构有韩国三星、日本住友、日立、日亚化学、美国Cree等；以晶元光电、璨圆光电为代表的台湾企业整体技术水平也相对较高，大陆主要研发机构有中科院半导体所、浙江大学和中科院上海光机所等。

　　目前，外延生长领域的专利技术的热点主要集中于氮化镓、ZnO、外延层生长(MOCVD)等方面，特别是氮化镓衬底的专利申请量远远高于其它衬底技术，全球主要研发机构自2005年以来正在积极地进行专利布局。业内普遍认为氮化镓单晶衬底作为同质外延的衬底，是生长氮化镓外延层的最理想衬底，可以大大提高外延层的晶体质量，降低外延层的位错密度，提高发光器件的工作寿命，并能提高发光效率。但是制备氮化镓单晶的技术非常困难，目前氮化镓单晶的研究和探索仍在持续进行。另外ZnO基的研究还处于初始阶段，专利申请量相对较少，虽然主要的技术路线还很不明朗，但仍有很大技术创新空间。外延层生长技术及设备(MOCVD)也是外延层制造技术的关键所在，目前专利技术主要集中在利用金属有机化学气相沉积方法生长Ⅲ-V族和Ⅱ-VI族化合物的薄层单晶，而在氢化物气相外延(HVPE)、选择性外延、侧向外延、悬空外延等方面的技术和设备方面改进可能成为未来LED外延层技术的又一重点发展方向。

　　2.芯片领域，专利技术主要集中于提高LED芯片的外量子效率

　　芯片领域专利申请比重较少，专利技术主要集中于电极制造、衬底剥离、表面粗化等方面，国内在芯片领域专利技术较为分散，在电极的材料选择和结构设计方面，面临着较大的国外专利挑战。全球芯片制造领域相关专利共计8683项，占全部总量的6.98%，近五年的申请量约占其总量的41.8%，增长趋势较明显。中国在芯片制造领域的专利申请有1227件，其中国外来华588件，占国内申请总量的47.9%。芯片制造技术与外延技术类似，都属于产业链的上游技术，通常是在外延工艺结束后利用多种技术将外延片作后续处理以形成具体结构的发光芯片，全球主要研发机构韩国三星、LG，日本日亚、夏普、松下、东芝，台湾晶元等都进行了大量专利布局，其中涉及部分基础的核心专利技术（如日本日亚的电极的材料、结构和制造工艺专利族等），值得关注。国内主要的研发机构有中科院半导体所、厦门三安以及台湾的晶元光电等，国内申请人中科研机构数量偏多，企业的申请量相对较少，且较为分散。

　　目前，芯片制造领域的专利技术主要集中于提高LED芯片的外量子效率，不断谋求设计新的芯片结构来提高出光效率，包括电极制造、衬底剥离、表面粗化、光学反射等技术。其中，在电极制造方面应注意加强对电极的材料选择和结构设计等比较基础的研究，特别注意对新型材料、复合材料、叠层结构、图案结构等加大研发力度，着重解决电流分布和欧姆接触等技术问题；在提高出光效率的问题上，芯片的反射／抗反射、增透以及表面粗化等技术已经比较成熟，目前通过设置布拉格反射镜提高出光效率的研究比较多，国内申请人可继续加强这方面研究力度，注重研究适用于布拉格反射镜的材料和结构，以及光子晶体特别是多维光子晶体方面的研究，以避免拉大与国外甚至台湾地区的技术差距；同时单芯片发白光的专利申请也逐渐增多，国内部分单位在这方面也有所研究，主要是在芯片内部直接形成波长转换层、多波长有源层等，国内申请人也可在这方面深入研究。

　　3．器件封装领域，荧光体材料方面的国外来华专利值得关注

　　封装领域全球专利申请量较多，近几年增长较快，相关专利技术主要集中于解决功率、散热、出光效率三个方面，中国在散热方面具备一定实力，在荧光体材料方面的国外来华专利值得关注。

　　器件封装领域处于半导体照明产业的中下游，相关的专利申请较多，全球涉及共30223项专利，近五年专利申请量约占总量的51.9%，研发较活跃。在中国，相关专利申请4628件，其中国内3084件，国外来华1544件，约占中国总量的33.3%。在全球主要专利申请人中，日本申请人所占比重较大，在排名前20名的申请人中，14位来自日本，韩国有3名申请人排名进入前20，韩国三星的申请量仅次于松下排名第二。另外，荷兰的飞利浦、德国的欧司朗以及美国的Cree虽然申请量不是最多，但是其在封装领域具有举足轻重的地位。在国内申请人中台湾申请人占有较大比重，主要涉及富士康、亿光电子、宏齐科技、台湾工研院、一诠精密工业、晶元光电、以及光宝科技等企业，其中，富士康在光学装置和散热装置领域申请较多，亿光电子在封装工艺以及光学装置方面申请较多，明显多于其它申请人，光宝科技在白光技术和荧光体领域的申请较多。大陆申请人主要有佛山国星光电、宁波安迪以及香港地区的真明丽等，相比来看，国内申请人技术分布各有侧重，在散热装置和光学装置领域的申请量较多。与国内申请人相比国外来华申请人在器件封装领域专利布局较少，一些重要的专利主要集中于荧光体材料、制造工艺等方面。综合分析结果来看，我国在器件封装领域具备一定技术实力，尤其是散热领域具有较大的发展空间，在散热领域，由于国内很多申请涉及散热片、散热管的布局和结构设计从而提高器件散热效率，可以在这些相关领域发展生产规模，扩大产业优势。在荧光体材料方面国外来华申请中有很多关于荧光粉材料的专利保护，值得关注。

　　4．产品应用领域，国内申请数量较高但技术含量较低

　　产业应用领域专利申请量比重最大，近几年增长强劲，研发活跃，技术发展渐趋成熟，其专利技术主要集中于照明、显示屏、背光源和指示方面，国内申请人布局较多，但受中上游技术制约较大。全球半导体照明产品应用领域专利申请共计80209项，近五年的申请量占总量的64.2%，增长强劲，与其它技术领域相比，目前该技术发展已渐趋成熟。中国在应用领域的相关专利申请有23268件，其中国外来华2136件，仅占总量9.2%，其余90.8%。虽然国内申请数量较高，但国内大部分为实用新型专利，与国外发明专利相比，技术含量上却较低。

　　目前，国内外在产品应用领域的研究十分活跃，全球主要研发机构有日本松下、韩国三星、日本夏普等，国内主要研发机构有台湾富士康、香港真明丽、北京中庆微等。其中，台湾和香港地区的优势明显，申请量最大的是富士康，远远超过其它申请人。其次是香港的真明丽。接下来就是中国大陆的企业北京中庆微和北京巨数以及深圳的康佳和广东东莞的勤上。富士康申请的重点在于照明和背光源，真明丽的申请90%以上是照明，北京中庆微和北京巨数在指示领域较多，同时也涉足显示屏和照明领域，康佳集团则在显示屏方面有较大的申请量。大陆申请人以企业为主，虽然总量高，但申请量比较分散。

　　目前在全球范围内，照明已经成为重点研发方向。随着LED发光效率的提高，照明应用还会得到更大的发展。目前中国大陆在照明领域的发展还相对比较薄弱，比国外和港台的技术水平要低，照明应用应是目前的重点研发方向。对LED的研发方向首先是应继续研发大功率LED，其次是LED灯具的紧凑型模块化电源设计。此外，户外照明和室内照明也已经开始大规模开发和应用，例如洗墙灯、地埋灯、水下灯、城市步道灯、办公台灯、小型照树灯，上述种类灯具的照明功能性指标要求较低并容易达到，而且某些灯具如办公台灯的利润很高，我国企业也应该抓住机遇，进入到这些领域，力求在未来获得更多的市场份额。此外，LED还可以用于汽车仪表板和各种照明部分的光源，我国汽车工业正处于大发展时期，正是推广LED在汽车中应用的极好时机。

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