半导体紫外器件及应用技术全球专利检索与信息分析

吕天刚，吕鹤男，王跃飞，刘秀娟

（1.鸿利智汇集团股份有限公司，广东 广州 510890；2.广州市帝亚照明股份有限公司，广东 广州 510890；3.中国电子技术标准化研究院，北京 100007）

半导体紫外发射二极管（Semiconductor ultraviolet-emitting diodes，英文缩写UV LED），又称半导体紫外光源、固态紫外光源。是基于第三代半导体技术的固态紫外光源，与新型LED照明、大功率电力电子器件并列为第三代半导体技术3大方向。与传统紫外光源相比具有很多显著优势，如：节能、环保、寿命长、体积轻小、启动快、易调制和易与数字电路兼容等。紫外发射二极管是目前氮化物技术发展和第三代半导体材料技术发展的主要趋势，拥有广阔的应用前景。将在包括杀菌消毒、医疗、化工、环境净化、环境监测、工业制造、无创光疗、非视距保密通信在内的众多领域获得广泛应用[1]。当前，致死率极高的新型冠状病毒（COVID-19）还在全球大流行，为抑制和减轻导致该疾病的冠状病毒2型（SARS-CoV-2）的传播，人们加速了对环境控制的探索，这进一步刺激了紫外行业在杀菌、空气净化与水处理领域的推广，半导体紫外光源上下游的技术发展和产业化步伐正在加快。

根据WIPO的统计，全世界每年发明创造成果的90%～95%体现在专利文献中，其他的技术文献和杂志中能零星地看到5%～10%[2]。专利数量与专利质量是技术实力的重要表现形式，专利全球布局和时间曲线反映了产业态势和技术演化轨迹，且记载了各专业技术领域的最新科技成果，充分利用专利信息是增强创新能力，实现创新引领发展的有效途径。目前，针对半导体紫外光源行业的专利信息分析研究十分稀缺。本研究以PatSnap智慧芽全球专利数据库和专利检索平台为基础，结合行业特点进行专利信息检索和技术分析（图1）。

图1 半导体紫外器件（上）及应用设备（下）

1 项目背景

目前，该领域技术和市场都还处于萌芽期，核心技术主要集中在美、日、韩及欧洲的少数企业和研究机构手中，如美国的HexaTech、SETi、RayVio、Crystal IS等，日本的NICHIA NITRIDE、TOYODA、NIKKISO、NITRIDE、Asahi-KASEI、TOKUYAMA、DOWA等，韩国的LG Innotek、Seoul、Viosys等。他们中很多深耕此研究超过10年，凭借其在半导体材料领域的雄厚基础，不断取得创新性突破。相比之下，国内技术水平明显落后，尤其在深紫外领域，差距更大。在AlGaN核心材料开发与产业化方面更是基础薄弱。

LEDinside《2018紫外线LED应用市场报告-固化、医疗、杀菌》预估2022年UV LED市场产值将超过12亿美元。研究机构Yole分析师预测，受UVC应用推动，UV LED市场将在2023年达到10亿美元[3]。由于受到产业端和需求端多方的关注和大力投入，半导体紫外技术迅速发展，虽然目前主要以固化和印刷应用为主，但随着深紫外技术的成熟和上下游产业链的完善，预计未来3-5年内深紫外产业将成半导体紫外市场扩张的主力军。市场即将进入快速增长期，新兴市场利益之争越来越激烈。2016年Seoul Viosys在美国诉Salon，2018年SETi在 美 国 诉Bolb和Q-egg，2018年LG Innotek在 美 国 诉Evergreat，2018年Nitride在日本诉RayVio和Digi－Key Corp，等等。

对于专利信息分析，国外学者K.Brockhoff认为由于专利含有技术创新的信息，通过对专利信息进行科学分析，掌握技术的发展程度，及技术与技术之间的关联，从而反映行业发展趋势。美国的Richard S.Camphell认为专利信息是技术创新预测的科学依据，专利信息分析可以对现有技术成熟程度的评价和技术发展方向的预测。本项目经收集整理、深度挖掘、整合转化之后获取的信息，具有反映深层次规律的功能，主要用于对未来技术发展方向和研发方向的预测与决策，同时对于分析大的竞争环境具有重要作用[4]。

2 专利检索

2.1 检索条件

定义：半导体紫外发射二极管，英文缩写UV LED，Semiconductor ultraviolet-emitting diodes，又称半导体紫外光源、固态紫外光源。

分类：按波长分为（1）UV-A，315 nm＜λ≤400 nm；（2）UV-B，280 nm＜λ≤315 nm；（3）UV-C，200 nm＜λ≤280 nm（GB/T 2900—65中为100~280 nm）。按产业链分为芯片、器件和应用。按应用领域分为印刷、固化、杀菌、医疗、化工、分析和信号等。

检索目标区域：全球检索。

检索语言：中英文混合检索。

检索工具：PatSnap智慧芽全球专利数据库（https：//analytics.zhihuiya.com/）。

2.2 总体检索策略

采用总-分-总方式，分别查UV技术分支和LED技术分支的全部专利，查得UV和LED 2个独立的技术专利集，将2个专利集合相与，再对结果进行去噪、查全、补全、查准等操作，得目标专利文献。

2.3 检索过程总结

在PatSnap智慧芽全球专利数据库环境下，采用高级检索。

检索所有紫外（A1）→检索所有LED（A2、A3）→并集（SA1=A1&A2）→分析噪声（SZ1、SZ2、SZ3）→去噪声（SA2=SA1-SZ3）→第1次制作查全样本P1→第1次查全（P1&SA2）→补全检索（AP1、AP2）→补全SA3=SA2/（AP1/AP2）→第2次制作查全样本（P2）→第2次查全（P2&SA3）→查准（P）→结束。

检索结果：共计151K条专利，去重，110K条专利，简单同族，SA3=68.2K条专利。

3 专利信息分析

根据专利检索数据，对现状和趋势进行分析，内容包括全球专利分布现状（技术来源、目标市场等）、申请趋势、技术生命周期、技术构成、主要申请人、重点专利、诉讼情况等。

3.1 全球专利分布现状

截止2020年3月26日本检索完成时，通过对半导体紫外器件及应用技术全球专利检索，共获得68 248组简单同族专利，相关专利来自于116个国家或地区。

其中，相关专利技术来源国/地区来源地排名前10的包括日本、美国、中国、韩国、德国、欧洲、英国、中国台湾、法国、世界知识产权组织。帮助了解该国家/地区的技术创新能力和活跃程度。也可以侧面反映出持有该技术的主要公司分布，如图2（a）所示。相关专利技术目标市场国/地区排名前10的包括：日本、美国、中国、世界知识产权组织、欧洲、韩国、加拿大、澳大利亚、德国、中国台湾，如图2（b）所示。如图3所示，分析技术主要布局在哪些国家/地区，专利申请量的多少在一定程度上反映了该目标市场的受关注程度。这可以帮助企业在做技术战略布局时，评估哪些是需要主要关注的国家/地区，以及哪些国家/地区均未被布局，是否可能成为潜在的机会点。

图2 技术来源地与目标市场地分布图

图3 重要技术分支地域分布

3.2 申请趋势

专利申请趋势图展示的是专利申请量的发展趋势。通过申请趋势可以从宏观了解该技术领域在各时期的专利申请热度变化。

专利申请趋势分析是一种宏观分析方法，主要目的是通过对专利申请数量的分析，判断产品技术所处的发展阶段，为企业确定发展方向提供指导。

半导体紫外专利申请趋势分析如图4所示，本趋势图选取了该技术领域近20年专利申请数据。根据专利申请量变化趋势，该技术起步较早，近20年一直在稳步增长且目前正处于快速发展阶段。需要说明的是，由于公开日期较申请日期有延迟，所以该图中未能完整体现2019年和2020年申请数据。

图4 申请趋势

实际上，国外相关技术的基础研究在更早之前就开始了，如，成立于1997年的美国Crystal IS（2016年被日本Asahi-KASEI合并）是专门研究开发UVC半导体器件氮化铝（AlN）衬底技术的公司。日本NITRIDE半导体公司也是于1997年就开始研究UV-A、UV-B、UV-C全波段紫外LED的圆片、芯片、器件和应用技术了。

3.3 技术生命周期

利用专利申请量与专利申请人数量随时间的推移而变化来帮助分析当前技术领域生命周期所处阶段。通过这个图可以帮助评估技术发展的阶段，用来判断是否需要进入当前技术领域[5]。

生命周期（Life Cycle，LC）的概念来自自然生态系统，一般人们将其引用于社会经济系统的研究领域，用以描述社会经济现象的某些类似于自然生态系统的生命特征[6]。1966年哈佛大学教授Raymond Vernon在《International Investment and International Trade in the Product Cycle》中首次提出了产品生命周期理论[7]，与产品生命周期类似，技术的发展会经过技术生命周期的不同阶段，各阶段具有不同特性，这些特性会影响高新技术战略选择与调整、产业结构升级。泰瑟思认为技术生命周期可以分为4个阶段：一般研究发展阶段、应用研发阶段、大量制造生产阶段及市场扩张阶段[8]。哈利勒在叙述技术生命周期不同阶段与市场成长率时，把技术分为6个周期：技术开发期、开始应用期、应用成长期、技术成熟期、替代技术期、技术衰退期。

目前，半导体紫外器件及应用技术处于泰瑟思理论的第一、二阶段过渡期，哈利勒理论的第二、三阶段过渡期（图5）。

图5 技术生命周期

3.4 技术构成分析

分析主要技术分支的占比情况，可以帮助了解各技术分支的创新热度，以及当前技术布局的空白点可能是潜在机会。

如图6所示，半导体紫外器件及应用技术涉及的IPC国际专利分类号主要有H01L33、H01L21、A61L2、C09K11、C02F1、G01N21等，其中，占比最大的分类是H01L33，即：至少有1个电位跃变势垒或表面势垒的专门适用于光发射的半导体器件；专门适用于制造或处理这些半导体器件或其部件的方法或设备；这些半导体器件的零部件（H01L51/00优先；由在1个公共衬底中或其上形成有多个半导体组件并包括具有至少1个电位跃变势垒或表面势垒，专门适用于光发射的器件入H01L27/15；半导体激光器入H01S5/00）。

图6 技术构成分析

3.5 申请人排名分析

该技术领域内哪些公司拥有的专利总量最多，帮助了解该技术领域内的主要公司和竞争威胁。

如图7所示，半导体紫外器件及应用技术专利申请量全球排名USHIO、SEOUL VIOSYS、SEIKO EPSON、PANASONIC、TOYODA GOSEI、KONICA、FUJIFILM、LG INNOTEK、NICHIA、ASAHIK ASEI。

图7 全球申请人排名

3.6 重点专利

3.6.1 被引用最多的专利

如图8所示，被引用最多的专利表示已被广泛应用并且有很多人借鉴这些技术，这些专利更具影响力并代表着该技术领域的核心创新技术。

图8 被引用最多的专利

3.6.2 规模最大的专利家族

如图9所示，识别全球范围内规模最大的专利家族，这些专利被在全球广泛布局保护。

图9 规模最大的专利家族

当分析偏好选择为[全部专利记录]、[每件申请显示一个公开文本]和[每组扩展同族一个专利代表]时，此图表专利家族使用扩展同族计算。

分析偏好选择[每组简单同族一个专利代表]、[每组INPADOC同族一个专利代表]时，此图表专利家族使用设置的去重方式计算。

3.7 诉讼情况

如图10所示，最多诉讼专利帮助确定构成最高诉讼威胁，这代表了值得注意的研发雷区。

图10 诉讼数量

通过专利诉讼获得市场竞争优势是国际企业惯用手段[9]，紫外LED行业也是如此。2016年Seoul Viosys在美国诉Salon，2018年SETi在美国诉Bolb和Qegg，2018年LG Innotek在美国诉Evergreat，2018年Nitride在日本诉RayVio和Digi－Key Corp……。

此外，专利也是部分国家实施贸易壁垒的手段，最为人熟知的即美国的337调查。三代半导体技术的另一分支——新型LED照明产业的整个发展过程都深受337调查的困扰。庆幸的是中国企业在LED照明相关的专利技术、市场份额、产业配套等各个方面，都已掌握了主动权，并且相关争端解决机制也慢慢成熟，这从近2年的LED产业337调查的胜诉案例即可看出，如2018年LED舞台灯337案和2019年LED显示屏案[10-11]。

为制胜市场竞争，创新主体在将专利运用于市场竞争的过程中，一是可着眼于相关专利更快更好地实现产业化，促使其所储备的专利能够更加精准、高效地转化为产业技术竞争的核心优势；二是可着眼于维护市场运营安全，一方面及时发现和规避专利风险，防患于未然，另一方面依托其储备的专利建立对主要竞争对手的战略威慑，确保企业市场行动自由和研发行动自由；三是可着眼于市场收益的取得，依托具有市场化潜质的专利来直接进行运营运用，以建立企业新的利润增长点。在以新技术突破为基础的产业变革和市场竞争中，上述一系列作用更加突出。就此而言，专利堪称创新主体有效参与市场竞争的“战斗员”[12]。

4 结束语

本文研究了半导体紫外器件及应用技术，通过PatSnap智慧芽全球专利数据库环境下高级检索形式，采用总-分-总方式，对相关技术领域专利进行了全球检索。分别查UV技术分支和LED技术分支的全部专利，查得UV和LED 2个独立的技术专利集，将2个专利集合相与，再对结果进行去噪、查全、补全、查准等操作，共获得符合条件的专利数据样本6.82万个。并对获得的样本进行技术分析，得出全球专利分布现状、申请趋势、技术生命周期、技术构成、申请人、重要专利及专利诉讼情况等重要信息，为本行业技术研发战略的制定、专利布局及专利策略的制定等提供可靠技术依据。