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苹果微软三星都被指侵权,竟是因为波士顿大学这项专利……

2018年7月,台湾晶电和波士顿大学的专利侵权诉讼案经美国联邦巡回上诉法院二审判决,判定波士顿大学专利权无效,晶电胜诉。该专利侵权诉讼案要追溯到2012年10月,当时美国麻州地方法院向台湾晶电及客户提出波士顿大学该专利的侵权诉讼,要求赔偿金额568万余美元。2015年11月,由非专业人士组成的陪审团裁定台湾晶电侵权并需赔款930万美元。

案件涉及的专利为美国专利US5686738,是高绝缘单晶硅制备氮化镓薄膜技术,由波士顿大学电子与电脑工程教授Theodore Moustakas所发明,在1995年提出专利申请,于1997年取得专利,并由波士顿大学基金会负责管理。虽然该专利已在2014年11月11日①到期,但针对专利过期前的侵权争议,法律诉讼远不止台湾晶电一起。

①:1995年6月8日以前申请的美国专利年限等于"最早母案申请日+20年"或"核准日+17年",两者取其晚者。专利US5686738发布日期为1997年11月11日,申请日期为1995年1月13日,优先权日期为1991年3月18日,根据美国的核算方式,到期时间两者取其晚者:取发布日期1997+17年=2014年11月11日

波士顿大学基金会多年来以该专利提起数十件美国专利侵权诉讼,涉及诉讼对象除了晶电外,还包括日亚化学(Nichia)、亿光、光宝、宏齐、首尔半导体(Seoul Semiconductor)、三星等LED厂,于2013年起又相继控告苹果、联想、HTC、亚马逊、宏碁、华硕、明基电通、宏达电、戴尔、微软、东芝、索尼、LG等终端品牌厂商。其中2013年7月,波士顿大学因苹果iPhone、iPad、MacBook Air等产品使用的半导体技术涉及侵害该专利内容,针对苹果的求偿金额最高达到约7500万美元。波士顿大学曾将US5686738专利授权给LED晶片厂科锐(CREE)使用,此专利的侵权案件中也有部分是由科锐提出的。这些被指侵权的厂商部分支付了专利授权费,部分与波士顿大学通过交叉授权达成和解。

波士顿大学提起诉讼的这些企业名称就已经让人感慨,几乎所有行业知名的LED企业和电子设备厂商全部都与波士顿大学打过交道。那么我们不禁好奇:

US5686738这个专利主要是什么内容?波士顿大学对该专利进行怎样的布局和保护,以致后来众多知名厂商都遭遇波士顿大学提起的侵权诉讼?

专利的众多诉讼案件中,最近这次为什么最后判定晶电胜诉、波士顿大学专利权无效?

从案件之外来看,这个专利为什么相关的侵权诉讼金额都如此之高?它到底解决了什么行业技术问题,有哪些应用?又有哪些前景?

方象知产研究院在这里从专利和市场的角度分别进行分析。

专利US5686738的地位、方法和基本保护情况

1. 专利的行业地位:推动LED革命

实际上,专利US5686738提供的氮化镓制备方法发明在发光二极管(即LED,以下简称LED)发展史上有着重要的促进作用,具体来说就要简单梳理一下LED的发展史:

1962年,美国Biard以及Pittman申请了描述具有间隔的阴极接触的锌扩散的p-n结LED,这种LED在正向偏压下有效发射红外光,美国专利局使用优先权立即批准了这个专利US3293513,并认为此专利是最早的LED的专利。

1962年-1971年,LED技术持续发展,LED已经出现了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色,并被用于机器仪器的显示光源。但由于光的三原色仍缺少蓝色光源,令照明的白色光源始终无法创建。因为只有能量高的光能够激发出能量低的光,而能量低的光无法激发能量高的光,相对而言,蓝光能量是红光能量的1.5倍还多,因而没有蓝光LED就无法合成白光LED。因此,无论是在科学界还是工业界,如何造出蓝光LED曾困扰了人们数十年。

80年代后期氮化镓外延增长和p型掺杂有了重大技术突破,在此基础上,波士顿大学的Theodore Moustakas教授于1991年使用新的两步法生产“氮化镓薄膜”,可以用来制造廉价而紧凑的全固态蓝色激光器,也就是我们说的专利US5686738。

图1:波士顿大学Theodore Moustakas教授

来源:波士顿大学官方网站

1993年,日本的中村修二使用类似的氮化镓生长工艺制作出高亮度蓝光LED。经过10余年的发展,2014年诺贝尔物理学奖颁发给日本科学家赤崎勇、天野浩和中村修二,获奖理由是“发明高效蓝光二极管,带来明亮而节能的白色光源”。蓝光LED也被获誉“爱迪生之后的第二次照明革命”。随着LED三原色的齐全,白光LED开始引领新的技术发展,最典型常见的就是现在平板电脑和手机上使用的高亮度高分辨率LED屏幕。

综合来看,波士顿大学Theodore Moustakas教授的发明专利实际上推动了LED革命性的发展,虽然后续发展不像中村修二的影响那么有名,但他的发明专利是主要的证实可行且较经济的氮化镓制备方法,因而生产或使用氮化镓及LED的半导体企业或是终端生产厂商被波士顿大学屡次提起诉讼就可以理解了。

那么教授是如何制备氮化镓的呢?也就是说这个专利的主要内容是什么呢?有什么特别之处呢?

2. 专利主要内容:两步法生产“氮化镓薄膜”

简单总结一下,Moustakas教授US5686738这项发明专利涉及的是一种在分子束外延生长室中制备高绝缘氮化镓单晶膜的方法。该方法为所需的氮化镓晶体结构提供适当的晶格匹配的单晶衬底,在生长室内提供镓分子束源和活化的原子和离子氮源。在两步生长工艺(低温成核步骤和高温生长步骤)中,将衬底向镓溶剂和氮源暴露,由此来沉积所需的膜。低温工艺在100-400℃下进行,高温工艺在600-900℃下进行。活性氮的核心来源是电子回旋共振微波等离子体。

具体来看,该发明专利中使用的ECR-MBE系统如图2所示。ECR系统(电子回旋共振系统,图2:10,蓝色部分)与MBE系统(分子束外延系统,图2:11,橙色部分)通过泻流端口(图2:12)连接完成系统的集成。

其中,ECR系统(图2:10)包括:微波发生器(图2:13),波导(图2:14,定向引导电磁波),高真空等离子体室(图2:15)和两个电磁铁(图2:16)和(图2:17)。等离子体室(15)被两个电磁铁(图2:16)和(图2:17)包围。上磁体(图2:16)由2kW电源(未示出)供电,下磁体(图2:17)由5kW电源(未示出)供电。通过这种方式定位电磁铁能够导致更强烈和稳定的等离子体。2个电磁铁形成一个回旋加速器,回旋频率取决于磁场强度和电子电荷质量比:

ωce=eB/m

其中,ωce为回旋频率,e和m为电子电荷及其质量,B是磁场强度

图2: ECR辅助的MBE生长室的横截面图

来源:专利US5686738,方象知产研究院翻译制图

1)ECR系统:生成稳定微波分解活化原子和离子氮

首先,微波发生器(图2:13)生成2.43GHz微波,并沿矩形波导(图2:14)传播,100-500W的微波功率通过波导(图2:14)进入等离子体室(图2:15)。上电磁铁(图2:16)将等离子体室(图2:15)中的自由电子导入回旋加速器轨道,由于所有电子都位于回旋加速器轨道,因此随机运动和碰撞所损失的能量得以减少。同时,等离子体被限制在等离子体室(图2:15)的中心。通过电磁铁调节磁场使得微波的振荡频率恰好等于电子的回旋频率(即调整等离子体室的微博振荡频率使ω=ωce),准备与氮气发生撞击。

通过质量流量控制器(18)维持可调节的恒定流量,氮气通过质量流量控制器(18)流入等离子体室(图2:15),并在等离子体室(图2:15)中通过与高能电子撞击,氮气得以分解成高能原子氮和离子氮。然后,下电磁铁(图2:17)将离子引导通过喷射口(图2:12)朝向基板衬底(图2:19),衬底(图2:19)位于MBE系统(图2:11,橙色部分)的生长室(图2:21)中连续方位角旋转单元CAR(图2:20)上。CAR(图2:20)可以在0和120rpm之间旋转。

2)MBE系统:两步法生长氮化镓

镓熔剂在努森隙透单元(图2:22)中产生并通过镓快门(图2:23)控制其进入生长室(图2:21)。

一般工艺中,由于衬底(图2:19)在600℃下会被氮等离子体溅射蚀刻,因此衬底首先在氮等离子体存在条件下冷却至270℃,打开镓快门(图2:23)使氮化镓初始缓冲层得以沉积。缓冲层一般在10分钟内成核,此时关闭镓快门(图2:23)停止膜的成核。

然后将衬底在氮等离子体存在条件下以每15秒4℃的速度缓慢加热至600℃,一旦达到600℃,在氮等离子体存在下,使衬底(图2:19)在该温度下保持30分钟,确保氮化镓缓冲层结晶。再次打开镓快门(图2:23)以生长氮化镓单晶膜。

薄膜的厚度约为1微米,但理论上对薄膜厚度没有限制。在整个过程中氮压力和镓通量保持恒定。两步生长过程考虑成核或缓冲层。缓冲层在100-400℃的温度下产生,由于温度较低,氮空位形成的可能性降低。随着温度升高到600℃,非晶薄膜结晶。以后的生长全部在结晶的氮化镓缓冲层上完成。通过这两步法生长的膜优于通过一步生长法生长的膜。

整体过程如图3简化示意:图中蓝色的ECR系统生成稳定微波分解出活化原子和离子氮,橙色的MBE系统通过镓快门引入镓熔剂,在生长室内氮和镓开始作用。通过控制温度先在衬底上产生缓冲层(100-400℃),再基于缓冲层生长氮化镓单晶膜(600-900℃)。

图3: 氮化镓生长示意图

来源:方象知产研究院根据专利US5686738描述制图

3. 专利优势:两步法生长氮化镓的性能更为稳定

Moustakas教授在US5686738发明专利中对一步法和两步法生长氮化镓的性能进行了XRD②检测,在蓝宝石衬底的α平面上生长的氮化镓膜的XRD图案③如下。一步法如图4a和两步法如图4b。

②:XRD,X-ray diffraction,X射线衍射。通过对材料进行X射线衍射,分析其衍射图谱,获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。

③:图像横坐标为角度(度),是2θ角,是衍射谱仪扫描的角度;纵坐标是接收器检测到的计数,单位:CPS,每秒计数counts per sec。

图4a:一步法制备氮化镓膜的XRD图案

来源:专利US5686738

图4b:两步法制备氮化镓膜的XRD图案

来源:专利US5686738

根据Moustakas教授的说法,一步法(图4a)制备氮化镓在2θ=35°存在2个峰值,因而结构存在缺陷。而两步法(图4b)使大部分薄膜生长在氮化镓缓冲层的顶部,并且看不到下面的衬底,衍射图案仅具有单峰,质量更为稳定。相比一步法制备的氮化镓仅有唯一的高度缺陷。因而Moustakas教授的方法非常有效的提供了相对优质的氮化镓薄膜,为后续研究应用奠定了基础,也成为日后各个厂商及行业发展的基础。

晶电案件主要的权利要求争议和判决

1. 专利的权利要求:多角度规定制备方法和衬底材料

既然专利US5686738推进了LED的变革,那么如此重要的专利又是如何进行保护的呢?US5686738专利的权利要求中提到的使用材料基本涵盖了行业中制备氮化镓的所有主流衬底材料,同时又对各种制备方法的变型进行了要求,因而半导体企业或是终端生产厂商在使用LED时被波士顿大学屡次提起诉讼就可以理解了。

具体来看,专利US5686738涉及权利要求有21项,其中很多权利要求都是细微调整。其中基本描述为(下段下文简称“基本描述”):

一种半导体器件,包括:衬底,所述衬底选自(100)硅,(111)硅,(0001)蓝宝石,(11-20)蓝宝石,(1-102)蓝宝石,(111)砷化镓,(100)砷化镓,氧化镁,氧化锌和碳化硅的材料组成。

使用典型材料衬底的半导体器件均有所提及,这些衬底材料几乎涵盖了制备氮化镓可能使用的所有主要材料。第1项权利要求基于以上基本描述补充:

一种厚度约为30埃至约500埃的非单晶缓冲层,包括在所述衬底上生长的第一材料,第一材料基本上由氮化镓组成;和在缓冲层上生长的第一生长层,第一生长层包括氮化镓和第一掺杂剂材料。

第8项权利要求基于基本描述补充:

非单晶缓冲层,包括在所述衬底上生长的第一材料,第一材料基本上由氮化镓构成;在缓冲层上生长的第一生长层,第一生长层包括氮化镓和受主掺杂剂材料;在第一生长层上生长的第二生长层,第二生长层包括氮化镓和施主掺杂剂材料。

接下来11、13、15、16、18、19、20、21项权利要求均为不同角度的描述补充。

其中第15项权利基于基本描述补充:

一种厚度约为30埃至约500埃的非单晶缓冲层,包括在所述衬底上生长的第一材料,第一材料基本上由氮化镓构成;和一种活化的p型生长层,包括氮化镓和在不使用生长后活化步骤的情况下形成的受体掺杂剂材料。

主要对生长层进行了另外的描述,同时将半导体器件描述为“一种具有激活的p型层的半导体器件”。又是对第1项权利要求的不同补充。

从专利保护的角度,专利US5686738几乎把主流衬底的各种生长方法和可能性都考虑到并统一进行了专利权利要求。

表1:专利US5686738主要权利要求

来源:专利US5686738,方象知产研究院翻译整理

此外,第2、3、6、7项权利要求又对第1项权利要求进行了补充,如第2项权利要求:如权利要求1所述的半导体器件,还包括:在第一生长层上生长的第二生长层,第二生长层包括氮化镓和第二掺杂剂材料。第3项权利要求:如权利要求1所述的半导体器件,其中所述缓冲层在第一温度下生长,并且其中所述第一生长层在高于所述第一温度的第二温度下生长。

表2:专利US5686738其他权利要求

来源:专利US5686738,方象知产研究院翻译整理

2. 晶电案件的争议和判决

基于波士顿大学US5686738这项专利,在与台湾晶电专利争议中,主要集中在第19条权利要求,即:

19.一种半导体器件,包括:

衬底,所述衬底由选自(100)硅、(111)硅、(0001)蓝宝石、(11-20)蓝宝石、(1-102)蓝宝石、(111)砷化镓、(100)砷化镓、氧化镁、氧化锌和碳化硅的材料组成;非单晶缓冲层(a non-single crystalline buffer layer),包括在所述衬底上生长的第一材料,第一材料基本上由氮化镓构成;和生长(grown on)在缓冲层上的生长层,生长层包括氮化镓和第一掺杂剂材料。

美国地区法院在这里解释了两个术语的定义。首先,“生长(grown on)”被解释为“间接或直接在上面形成”。在这种结构下,权利要求19的生长层和缓冲层不必直接接触,它们之间可以有介入层。其次,地区法院将“非单晶缓冲层(a non-single crystalline buffer layer) ”解释为“一层不是单晶的材料,即多晶、无定形或多晶和非晶的混合物,位于第一衬底和第一生长层之间。”

氮化镓薄膜的制备基于该专利方法,台湾晶电使用技术正涉及在缓冲层上生长生长层,波士顿大学认为侵犯了第19条权利要求。而晶电认为第19条权利要求不适用,因为该专利说明书没有教导本领域技术人员如何制造具有直接在无定形缓冲层上生长单晶生长层所要求保护的半导体器件。相反,晶电引用了一些专家证词和证据来证明晶电能够在专利有效日期之后的几年内直接在非晶层上生长单晶层,有证据证明这是使用其他方法实现的,而且是波士顿大学没有给出建议的方法。

针对这一点争议,美国地区法院认为,波士顿大学在某种程度上创建了自己可实现问题(enablement problem④)。在索赔范围内获得包括纯无定形层的索赔结构之后,波士顿大学需要成功抵御对索赔的全部范围的挑战。换句话说:如果波士顿大学想要将其他人排除在它所认为的发明之外,其专利需要教会公众如何制造和使用该发明。

④:美国专利法包括的可实现(enablement)类似于我国专利法第26条第3款的规定,要求说明书要给出教导本领域技术人员不用进行过分试验就能确定如何完成和使用该发明的最低信息。

综上,波士顿大学US5686738专利中并没有明确给出制造相关半导体器件的具体方法,同时晶电能够证实其使用的方法是在US5686738专利有效期之后,且使用的并非该专利给出的方法。因而最终判定波士顿大学专利权无效,晶电胜诉。

氮化镓的主要应用和前景

关于US5686738专利的各种侵权案随着2014年专利到期逐步尘埃落定,但是氮化镓却随着技术发展与人们的生活越来越近,那么氮化镓又有怎样的特点?除了可以应用在最常见的LED屏之外,还有哪些行业能够应用呢?未来前景怎样?

1. 氮化镓(GaN)的特点

氮化镓是LED衬底中稳定且性能具有优势的材料,目前主流产品以2~3英寸为主,4英寸也已经实现商用。氮化镓衬底主要由日本公司主导,日本住友电工的市场份额达到90%以上。我国目前已实现产业化的企业主要包括苏州纳维科技公司和东莞市中镓半导体科技公司。

表3:LED衬底材料性能对比

来源:公开信息,方象知产研究院整理

由于氮化镓在各方面性能优异,随着技术的发展,有望降低成本,逐步广泛的在电子电力领域和微波射频领域得以应用。

此外,氮化镓材料由于禁带宽度达到3.4eV,与碳化硅、金刚石等半导体材料一起,被誉为第三代半导体材料。由于氮化镓还具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速度大、热导率高、介电常数小、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点,成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。

氮化镓在电子电力领域应用主要有以下特点:

1)高转换效率/低导通损耗:氮化镓的禁带宽度是硅的3倍,击穿电场是硅的10倍。因此,同样额定电压的氮化镓开关功率器件的导通电阻比硅器件低3个数量级,大大降低了开关的导通损耗。

2)高工作频率:氮化镓开关器件寄生电容小,工作效率可以比硅器件提升至少20倍,大大减小了电路中储能原件如电容、电感的体积,从而成倍地减少设备体积,减少铜等贵重原材料的消耗。

氮化镓在微波射频领域应用主要有以下特点:

1)更高效率:降低功耗,节省电能,降低散热成本,降低总运行成本。

2)更大的带宽:提高信息携带量,用更少的器件实现多频率覆盖,降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。

3)更高的功率:在4GHz以上频段,可以输出比砷化镓高得多的频率,特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。

2. 氮化镓主要行业应用及前景

目前氮化镓主要应用在IT产品、信息通讯设备、射频器件、新能源等领域。随着成本的下降和技术的成熟,将很有可能对现有技术进行替换。

1) IT产品

国内各主要IT产品仍将保持旺盛的市场需求,笔记本电脑、显示器、打印机、电视机、组合音响、激光视盘机等传统产品以及新兴汽车电子均将在未来保持平稳增长。随着全球空调、节能电机等电子产品产能向中国大陆转移,功率半导体的需求也将成倍地增加。氮化镓作为半导体发展中重要的原料,未来很可能影响IT产品的设计形态和竞争格局。

2) 信息通讯设备

增强型氮化镓电晶体表现出高耐辐射性能,从而适用于通讯和科学卫星的功率和通讯系统;点到点通信、卫星通信、各种雷达和新型工业/医疗应用都将从这些大功率氮化镓器件的应用中获益。

5G将带来半导体材料革命性的变化,随着通讯频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件,氮化镓的优势将逐步凸显,使得氮化镓成为5G的关键技术。

3) 作为射频器件合适材料

目前射频市场主要有三种工艺:砷化镓工艺,基于硅的LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)工艺,以及氮化镓工艺。砷化镓器件的缺点是器件功率较低,低于50W。LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在3GHz以下。氮化镓弥补了砷化镓和硅基LDMOS两种老式技术之间的缺陷,带隙宽度与热导率均高于硅和砷化镓,在体现砷化镓高频性能的同时,结合了硅基LDMOS的功率处理能力。

4) 新能源领域

主要有三方面应用:快充电源,可再生能源和智能电网。

快充电源:氮化镓电力电子器件方面典型应用市场是电源设备。由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气,氮化镓器件相比于碳化硅器件拥有更高的工作频率,加之可承受电压要低于碳化硅器件,所以氮化镓电力电子器件更适合高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域,如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设备等。

可再生能源:风电和太阳能电力接入电网以及减少输电损耗方面,氮化镓大功率器件都发挥了极其重要的作用;绿色能源、电动汽车、绿色电子照明等新兴领域正在成为功率器件市场应用的新热点,需求强劲。

智能电网领域:功率半导体能够提高从发电、输配电到最后用电的整个电力供应链的能效。

图5:氮化镓主要应用的预期潜在市场

来源:Yole Development,广发证券发展研究中心

此外,根据研究机构Yole Development的研究预测,风力涡轮、铁路牵引系统等方面,氮化镓也有较大的应用前景。

据Yole Development预测,2016年-2020年氮化镓射频器件市场复合年增长率(CAGR)将达到4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的2.5倍。2019年-2020年,5G网络的实施将接棒推动氮化镓市场增长。未来10年,氮化镓市场将有望超过30亿美元。据麦姆斯咨询(MEMS Consulting),2016年,全球氮化镓半导体器件市场规模为165亿美元,预计到2023年将达到224.7亿美元,2017年至2023年期间的复合年增长率为4.6%。不同机构对氮化镓未来预测基本一致,行业前景和空间较大,竞争也将逐步提升。

驱动氮化镓市场增长的主要因素包括氮化镓在消费电子和汽车领域具有广阔的市场潜力;氮化镓材料的宽带隙特性促进了创新应用;氮化镓在RF功率电子领域的成功应用;以及军事、国防、航空航天应用领域增加对氮化镓射频半导体器件的应用。

方象观察

在2019春季环球资源移动电子展上,众多知名企业带来了基于USB PD快充应用的氮化镓充电器,其中包括ANKER安克、AUKEY傲基、KunX坤兴、UIBI柚比、TOMMOX拓米士、Stiger斯泰克、Power7tech泰克威与Redot慧多科技等多家企业。氮化镓在民用快充领域的应用已经触手可及。

在氮化镓衬底方面,我国已经小批量生产2英寸衬底,具备4英寸衬底生产能力,并开发出6英寸衬底样品。氮化镓生产或应用在我国也已经有大批企业涉足,包括纳维科技、中镓半导体、苏州晶湛、大连芯冠科技、中晶半导体、聚能晶源、英诺赛科、华润微、苏州能讯、江苏能华、士兰微、华功半导体、三安集成、海威华芯等,技术水平逐步完善。未来方象知产研究院将持续关注这些企业的技术及应用特点。

氮化镓市场空间巨大,随着氮化镓技术完善,成本降低,应用逐步落地,国内外企业竞争将愈加激烈。众多行业也将迎接新的技术革新,在这场竞争中技术能力和落地应用也将直接决定竞争力。

波士顿大学与台湾晶电的专利侵权案件硝烟仿佛刚刚散去,氮化镓应用落地的商业战场已经逐渐走进我们的生活。就像当初波士顿大学Moustakas教授的专利US5686738推动了LED变革并促进了第二次照明革命一样,未来氮化镓的应用落地也势必又会有一大批相关专利授权或侵权之争,或许专利US5686738案件能够给相关企业提示和借鉴意义。

方象知产研究院将持续关注高价值专利所涉及的技术革新以及行业趋势,持续关注技术价值所带来的投资机会,基于技术演进特点提出技术布局参考;对专利布局和专利保护的法律问题进行持续研究和研讨。

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