新世界由创造者和开拓者打造，我国在众多领域开始自立自强，无数研发人员用创新力量承托科技强国新时代，在半导体产业，2022年有哪些值得关注的技术突破？专利情况如何？

率先制成栅极长度极小的晶体管

  2022年12月25日，由科技日报社主办、部分两院院士和媒体人士共同评选出的2022年国内、国际十大科技新闻揭晓。入选的2022年国内十大科技新闻分别是：首次制成栅极长度极小的晶体管；二氧化碳“变”葡萄糖和脂肪酸；“中国天眼”发现首例持续活跃重复快速射电暴；第三艘航空母舰福建舰下水；稳态强磁场刷新世界纪录；首次发现月球新矿物“嫦娥石”；“夸父一号”开启太阳探测之旅；二十大报告专章部署教育科技人才；中国空间站历史性完成“合体”；云南培育出多年生水稻品种。

  其中，我国率先制成栅极长度极小的晶体管、稳态强磁场刷新世界纪录与半导体产业相关。栅极长度极小的晶体管研究使得我国在挑战摩尔定律极限上走在世界前列，2022年3月，清华大学集成电路学院团队率先制备出亚1纳米栅极长度的晶体管，该晶体管具有良好的电学性能，相关成果在线发表在2022年3月15日的《自然》杂志上。

  过去几十年，晶体管的栅极尺寸不断微缩，随着尺寸进入纳米尺度，电子迁移率降低、静态功耗增大等效应越发严重，因此，新结构和新材料的开发迫在眉睫，目前主流工业界晶体管栅极尺寸在12纳米以上。

  为进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈，清华大学团队巧妙利用石墨烯薄膜作为栅极，通过石墨烯侧向电场来控制垂直的二硫化钼（MoS2）沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34纳米。石墨烯单原子层厚度和优异的导电性能，终于被实验性地体现在芯片上。纽约州立大学布法罗分校纳米电子学家李华民评价：这项新工作将栅极的尺寸极限进一步缩小到仅一层碳原子的厚度，在相当长的一段时间内，要打破这一纪录是非常困难的。

  单层石墨烯厚度仅0.34纳米，本身是平面结构，这就要求沟道是垂直结构，这是一大难题。另外，石墨烯除了侧壁能够栅控，其表面也能栅控，因此屏蔽石墨烯表面电场也是难点，中国团队使用自氧化铝层来完成这一点。二维薄膜的未来集成电路将会带来柔软、透明、高密度的芯片，如果使用新材料，就有机会实现全柔性的手机，其中的CPU、存储器都是柔性的而且更加节能。

  图注：亚1纳米栅长晶体管结构示意图。图片来源：清华大学

稳态强磁场刷新世界纪录

  入选2022年国内十大科技新闻的第二项是稳态强磁场刷新世界纪录。2022年8月12日，国家重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置”再攀科技高峰，创造出场强45.22万高斯的稳态强磁场，刷新了同类型磁体保持了近23年的世界纪录，成为目前全球范围内可支持科学研究的极高稳态磁场。

  稳态强磁场是物质科学研究需要的一种极端实验条件，是推动重大科学发现的利器。世界科技强国一直高度重视强磁场实验条件建设，目前国际上有五大稳态强磁场实验室，分别位于美国、法国、荷兰、日本以及中国合肥科学岛。

  早在2016年，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场团队就自主研制成功中心场强40万高斯的混合磁体，场强一举跻身世界第二。经过5年多紧张的技术攻关，强磁场团队创新了磁体结构、研发了新材料、优化了制造工艺，终于取得重大技术突破。此次产生的45.22万高斯的稳态强磁场，成为我国科学实验极端条件建设乃至世界强磁场技术发展的重要里程碑。2017年9月，国家稳态强磁场实验装置投入运行以来，已经运行超过50万个机时，为国内外170多家单位提供了实验条件，开展了超过3000项课题的前沿研究，取得了一系列重大科技成果。

  图注：稳态强磁场实验装置混合磁体。图片来源：thepaper.cn

超冷多原子分子研究、先进的半导体

  2022年12月8日，英国《物理世界》杂志公布了2022年度十大突破，涵盖从量子、医学物理学、天文学到凝聚态物质等各个方面，这十项突破是由《物理世界》编辑小组从2022年该杂志网站上发布的涵盖物理学所有领域的数百项研究中精选出来的。中国两个科学家团队因超冷多原子分子研究和未来半导体发现入选。

  30多年来，尽管物理学家一直在努力将原子冷却到接近绝对零度，并且在2000年代中期造出了第一个超冷双原子分子，但制造包含3个或更多原子的超冷分子的目标依然很难实现。

  中国科技大学的潘建伟、赵博和美国哈佛大学的约翰·道尔等科学家创造了第一个超冷多原子分子。中国科技大学和哈佛团队使用不同且互补的技术，分别制作了220nK（纳开氏度）的3原子钠钾分子样品和110μK（微开氏度）的氢氧化钠样品。他们的成就为物理学和化学的新研究铺平了道路，超冷化学反应的研究、量子模拟的新形式以及基础科学的测试都得益于这些多原子分子平台，使其更容易实现。

  图注：中国科学家领导的团队实验表明，立方砷化硼相比硅具有更高热导率和空穴迁移率，图例为“冠军半导体”——立方砷化硼的球棒模型。图片来源：光明科技（tech.gmw.cn）

  另一个与半导体领域相关的研究成果涉及两个独立的团队，一个由美国麻省理工学院的陈刚和休斯敦大学的任志锋领导；一个由中国国家纳米科学中心的刘新风和休斯敦大学的包吉明、任志锋领导，研究发现立方砷化硼是科学界已知的最佳半导体之一。这两个团队进行的实验表明，与构成现代电子产品基础的硅等半导体相比，立方砷化硼的小而纯区域具有更高的热导率和空穴迁移率。相比之下，硅的低空穴迁移率限制了硅器件的运行速度，而其低导热性会导致电子器件过热。

  总之，重大科技成果是一项政策性和技术性很强的工作，我国部分科技成果在全球领跑并获得影响力。同样是无形资产，专利也逐渐受到更多关注，科技成果和专利相互联系，彼此互相协调发展。特别是对于企业而言，随着半导体产业发展，专利越来越成为占据市场份额的有力武器。

2022年我国半导体产业的专利情况

  半导体产业是知识密集型产业，而且专利对于企业意义重大，企业往往积累大量专利，高等院校、研究所也在关键领域的技术研发和专利申请上也表现活跃。由于企业单位的半导体研究成果和新品发布新闻比较多，不胜枚举，仅通过专利情况反映半导体产业的技术突破或者当前技术水平。

  1、2021年集成电路布图设计登记达到顶峰，2022年大幅回落

  根据国家知识产权局“集成电路布图设计登记情况”显示，2021年我国集成电路布图设计登记申请和发证数量均达到过去20年顶峰，其中原因不乏2021年缺芯引发国内芯片厂商积极投入研发所致；另外，“十四五”规划在2021年发布，“加强原创性引领性科技攻关”、“推动制造业优化升级”的目标激励了半导体产业发展，促使当年行业出现发展高峰。2022年数据截止于11月份，但即便纳入12月数据，2022年全年集成电路布图设计登记数据出现大幅回落基本成为定局，其中原因除了外部政经环境影响之外，市场需求下滑或许也是企业降低研发投入的原因之一。

  《集成电路布图设计保护条例》指出，集成电路布图设计是指“集成电路中至少有一个是有源元件的两个以上元件和部分或者全部互连线路的三维配置，或者为制造集成电路而准备的上述三维配置”，“布图设计权利人享有下列专有权：对受保护的布图设计的全部或者其中任何具有独创性的部分进行复制；将受保护的布图设计、含有该布图设计的集成电路或者含有该集成电路的物品投入商业利用。”

  图注：集成电路布图设计登记状况（2022年1-11月）。图片来源：国家知识产权局

  通观全部类型专利，截止于2022年11月的“分专利权人类型国内有效专利统计表”数据显示：（1）在“发明”、“实用新型”、“外观设计”3项类型的专利上，企业均是主要贡献者；（2）高等院校和科研机构在“实用新型”专利上相差不大，而且占比均不高，但是在“发明”上高等院校相比科研机构具有较高占比，达到双位数占比，说明高等院校在创造型发明专利上具有显著倾向，但偏离“实用新型”专利表明其研究方向与产业转化上存在差距；（3）比较特别的一点是，个人在“外观设计”的国内有效专利占比仅次于企业，而且占比不小。

  图注：“分专利权人类型国内有效专利统计表”。图片来源：国家知识产权局

  2、以器件类型对专利进行搜索的结果

  细分到具体半导体器件，通过芯查查查询得知，分别以“微控制器”和“MCU”为关键词对专利情况进行搜索，搜索结果具有几个特点：（1）国内汽车OEM和国际汽车Tier 1厂商在国内对微控制器和MCU的专利布局比较积极；（2）微控制器和MCU发明授权专利靠前的传统国内半导体企业包括华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司、深圳市航顺芯片技术研发有限公司、南京沁恒微电子股份有限公司、深圳市汇顶科技股份有限公司；（3）国网体系、传统家用电器企业也在微控制器和MCU领域有所布局；（4）此外，MCU领域发明授权专利数量靠前两名企业比较鲜见，青岛海信宽带多媒体技术有限公司主要集中在光模块方面、宁波三星医疗电气股份有限公司的专利则集中在电能表方面。

  图注：分别以“微控制器”和“MCU”为关键词对专利情况进行搜索的结果。公告年限为1年内、专利剩余年限为10年以上、法律状态为授权、专利类型为发明授权的专利数量排名。芯查查制表

  在分别以“AI芯片”、“GPU”为关键词的搜索结果显示：（1）浪潮服务器市占比较高，技术实力雄厚，GPU专利布局比较庞大；（2）4个企业单位同时布局“AI芯片”和“GPU”，包括苏州浪潮智能科技有限公司、OPPO广东移动通信有限公司、浙江大学、之江实验室，其中，OPPO广东移动通信有限公司的GPU发明授权主要集中在图形处理、图像数据处理、视频文件播放，表明其比较注重设备显示效果研发；（3）“AI芯片”发明授权的专利主要集中在江浙地区的企业和高等院校，其中上海寒武纪信息科技有限公司在“AI芯片”的研发专利比较多，其他企业单位的专利数量为1或者2，其特征不显著；（4）高等院校和研究所侧重于“GPU”领域的发明授权专利，申请数量前20名企业单位中有13名为高等院校和研究所。

  图注：分别以“AI芯片”、“GPU”为关键词，对发明授权专利进行搜索的结果。搜索条件为：公告年限为1年内、专利剩余年限为10年以上、法律状态为授权、专利类型为发明授权的专利数量排名。芯查查制表

  以“碳化硅”为关键词，搜索条件为：公告年限为1年内、法律状态为授权、专利剩余年限10年以上，结果有1214个符合条件的专利，其中有衬底和外延的加工方法或者生长方法，也有材料、器件的制备方法等等。以申请（专利权）人获得专利数量进行排名，靠前的企业包括：山东天岳先进科技股份有限公司、哈尔滨科友半导体产业装备与技术研究院有限公司、深圳芯能半导体技术有限公司、中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司、北京天科合达半导体股份有限公司、泰科天润半导体科技（北京）有限公司、中电化合物半导体有限公司。

  类似的，以“氮化镓”为关键词，采用相同的搜索条件，搜索结果247个，以申请（专利权）人获得专利数量进行排名，靠前的企业包括：厦门市三安集成电路有限公司、江西兆驰半导体有限公司、华灿光电（浙江）有限公司、无锡英诺赛思科技有限公司、重庆康佳光电技术研究院有限公司、麦克姆技术解决方案控股有限公司、东莞市中镓半导体科技有限公司。企业之外，其他申请（专利权）人主要为高等院校和研究所。

  图注：分别以“碳化硅”、“氮化镓”为关键词的发明授权专利数量排名，搜索条件：公告年限为1年内、专利剩余年限为10年以上、法律状态为授权、专利类型为发明授权的专利数量排名。芯查查制表

小结

  外媒“日经中文网”2022年8月发文指出，我国有关自然科学领域研究论文的全部3项代表性指标均跃居世界第一：我国在研究人员引用次数进入前1%的“顶尖论文”首次超过美国，与论文总数、引用次数进入前10%的“受关注论文”篇数一起跃居首位。有鉴于此，该外媒称学术研究占据优势，将会形成产业竞争力逆转。

  尽管如此，论文或者科研成果代表学术实力，转化为产业竞争力还要看产学研转化效果。而且，直接反映半导体产业竞争力可能还要考察专利情况，不能只看论文数量和质量。

  以专利构建竞争力的实例比较多，比如，美光上世纪80年代将64K DRAM技术授权给三星而起死回生，三星也因此进入DRAM产业，并开始吞噬当时还是日本占优的存储领域；苹果与高通因5G调制解调器的芯片专利费而进行了长达两年的专利诉讼战，最终苹果让步与高通握手言和；2019年格芯宣布放弃7nm制程并起诉台积电及相关设计厂商、终端品牌共20家公司，最终格芯与台积电和解达成全球专利交互授权协议，由此可见专利对于半导体产业的重要性不亚于论文。

  我国已经加强前沿领域的学术研究，有些研究成果甚至达到世界前列水平。与此同时，企业逐渐重视和积累知识产权和专利，而且企业才是实体经济和先进制造的主角，企业的技术研发成为构筑行业竞争力的关键。总之，在越来越强调核心技术的当前，对知识产权和专利的关注应当更加广泛而深入。

  参考资料：

  （1）国家知识产权局首页-数据“集成电路布图设计登记”，

  https://www.cnipa.gov.cn/col/col61/index.html；

  （2）“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”，http://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm

  （3）芯查查

  （4）中华人民共和国国务院令（第300号）集成电路布图设计保护条例_2001年第17号国务院公报，

  http://www.gov.cn/gongbao/content/2001/content_60794.htm

  （5）“中国科学论文三大指标跃居世界第一”，

  https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404800863888867467