News: Microelectronics
11 Dicembre 2023
I dispositivi di potenza al nitruro di gallio (GaN) sono stati adottati con successo in diverse applicazioni di potenza, a partire dai dispositivi GaN laterali. Dopo la pubblicazione del suo nuovo rapporto sull'IP per l'elettronica GaN, la società di consulenza di intelligence tecnologica e strategia IP KnowMade discute lo stato della tecnologia dei dispositivi GaN verticali nel panorama dei brevetti GaN di potenza. Con il potenziale di superare le limitazioni relative alla tensione di rottura e alla capacità di corrente dei dispositivi laterali, alleviando al contempo alcuni problemi termici, il GaN verticale è visto come una tecnologia promettente per la prossima generazione di dispositivi di potenza.
La Cina prende il posto del Giappone nella leadership nell’attività inventiva verticale del GaN
Secondo le attività di brevettazione (Figura 1), lo sviluppo della proprietà intellettuale (IP) dei dispositivi di potenza verticali GaN è decollato a metà degli anni 2000, guidato da aziende giapponesi (Sumitomo Electric, ROHM, Toyota Motor). Tuttavia, il numero di invenzioni all’anno è rimasto relativamente basso fino al 2012. Nel 2013, l’attività inventiva è aumentata notevolmente, guidata da Sumitomo Electric, Toyoda Gosei, Seoul Semiconductor e Avogy (i cui brevetti GaN sull’energia sono stati trasferiti a NexGen Power Systems nel 2017). Dal 2015, le attività IP per i dispositivi di potenza GaN verticali hanno raggiunto un plateau, con nuovi innovatori leader come Fuji Electric, Denso, Panasonic e Bosch. In particolare, gli operatori cinesi – guidati dalle organizzazioni di ricerca Xidian University e UESTC – sembrano aver preso il comando nell’attività inventiva, superando anno dopo anno gli operatori giapponesi a partire dal 2020.
Figura 1: Evoluzione temporale delle pubblicazioni di brevetti relativi ai dispositivi di potenza GaN verticali dal 2001.
La maggior parte dei nuovi arrivati IP nel GaN verticale provengono dalla Cina
I principali nuovi arrivati nel campo della proprietà intellettuale entrati nel panorama dei brevetti dal 2019 sono organizzazioni di ricerca cinesi, come l’Università di Shandong e l’Università di Xi’an Jiaotong, e aziende cinesi. Una di queste è la start-up GLC Semiconductor, fondata nel 2018, che si concentra sullo sviluppo e sulla produzione di epiwafer GaN e fornisce servizi di progettazione, produzione, confezionamento e test di chip GaN. L'azienda ha divulgato diverse invenzioni nel 2020 relative alle strutture verticali GaN FET, con il suo presidente Yeh Shun-Min come inventore. È interessante notare che, a differenza della maggior parte degli attori cinesi che cercano la protezione delle loro invenzioni solo in Cina, GLC ha depositato con successo diverse domande di brevetto negli Stati Uniti (US11411099, US10854734) e Taiwan, oltre alla Cina.
Al di fuori della Cina, alcuni attori importanti sono entrati in questo spazio IP, come imec nel 2020, a seguito di una collaborazione con l'Università di Ghent, con l'obiettivo di sviluppare dispositivi di potenza GaN semi-verticali e verticali (US20220406926, EP3627559). Contemporaneamente, imec ha sviluppato un approccio per cointegrare diodi e transistor di potenza GaN verticali (US11380789). È interessante notare che altre importanti organizzazioni di ricerca europee hanno ripreso le loro attività di proprietà intellettuale in questo campo dal 2019, tra cui il CEA. L'ente di ricerca francese collabora con il CNRS per lo sviluppo di nuovi dispositivi di potenza GaN verticali (US20230136949) e ha pubblicato due ulteriori invenzioni nel 2022 che descrivono FET GaN verticali (US20220310790) e diodi (US20220037538). Negli Stati Uniti, Odyssey Semiconductor, una startup fondata nel 2019 dai ricercatori della Cornell University Rick Brown e James Shealy, è entrata nel panorama dei brevetti per dispositivi GaN di potenza verticale nel 2022, con una prima famiglia di brevetti (invenzione) che descrive un FET GaN verticale (US11652165, US11251295).
Affermati operatori IP giapponesi sfidati da NexGen e Bosch
In seguito al fallimento di Avogy nel 2017, il suo CEO Dinesh Ramanathan ha fondato una società startup NexGen Power Systems, che ha acquisito i brevetti GaN di potenza di Avogy. Nel 2021 NexGen ha avviato la propria attività di brevettazione in questo campo. Da allora, ha pubblicato più di 10 invenzioni, comprese diverse domande di brevetto relative ai FinFET GaN verticali (ad es. US20230260996 ed US20230246027). Tali dispositivi verticali sono stati sviluppati anche da Bosch a partire dal 2012, come indicato da un primo brevetto pubblicato nel 2014 (US9525056). Tuttavia Bosch non era attiva in questo campo fino al 2019 e nel 2021 l’azienda ha accelerato la sua strategia IP per la tecnologia GaN di potenza verticale con più di 15 nuove famiglie di brevetti (invenzioni), comprese domande di brevetto US20220310836 ed US20220285542.
Figura 2: I principali attori che guidano l'attività inventiva relativa ai dispositivi di potenza GaN verticali dal 2000.
Finora, i principali innovatori del Giappone non sono stati sfidati dalle aziende cinesi ma dalle organizzazioni di ricerca cinesi, in particolare dall’Università di Xidian e dall’UESTC (Figura 2). Queste università cinesi si stanno concentrando sulla Cina per proteggere le loro invenzioni, e resta da vedere come sfrutteranno i loro portafogli di brevetti per sostenere lo sviluppo di una tecnologia GaN verticale nazionale. Ad esempio, nel settore del SiC energetico in rapido sviluppo, abbiamo visto tali organizzazioni guidare l’emergere di nuovi attori nazionali attraverso partnership e trasferimenti di brevetti. Per l'elettronica GaN, KnowMade ha implementato diversi strumenti di monitoraggio per rilevare l'ingresso di nuovi attori nel mercato panorama dei brevetti e nella panorama scientifico.
Sebbene gli operatori giapponesi possiedano i più grandi portafogli di brevetti per i dispositivi di potenza GaN verticali in termini di invenzioni (Figura 2), il loro impatto sulla concorrenza IP è molto contrastato (Figura 3). Ad esempio, Sumitomo Electric, che è stato il principale innovatore in questo ambito, sembra non essere più in competizione per i dispositivi di potenza GaN verticali: la società ha abbandonato il 70% dei suoi brevetti che proteggono le sue invenzioni GaN verticali. All’interno del Gruppo Toyota, diverse aziende come Toyoda Gosei, Toyota Motor e Denso hanno depositato attivamente brevetti GaN verticali. Di conseguenza, il gruppo Toyota si distingue come leader indiscusso della proprietà intellettuale in questo ambito. Tuttavia, nel corso degli anni queste aziende hanno seguito traiettorie piuttosto diverse nel panorama IP dei dispositivi di potenza GaN verticali (Figura 3).
Figura 3: La competizione IP globale per i dispositivi di potenza GaN verticali.
Avendo iniziato a depositare brevetti negli anni 2000, Toyota Motor è uno dei principali attori storici in questo panorama, insieme a Sumitomo Electric e Fuji Electric. Tuttavia, la sua leadership nel campo della proprietà intellettuale è rimasta limitata fino a quando Toyota non ha avviato una partnership nel 2018 con Denso, un nuovo attore in questo ambito, per accelerare lo sviluppo della tecnologia GaN di potenza, portando a oltre 20 co-deposizioni di brevetti. Da allora, la proprietà di diverse co-deposizioni di brevetti verticali GaN è stata trasferita a Denso, confermando che Denso ha assunto la leadership in questa collaborazione. Al contrario, Toyoda Gosei ha iniziato a pubblicare attivamente domande di brevetto GaN verticale molto più tardi di Toyota Motor, nel 2014, descrivendo lo sviluppo del MISFET GaN verticale. Toyoda Gosei ha interrotto le sue attività IP nel 2021, dopo essersi posizionata come il player IP più affermato in questo spazio, possedendo il maggior numero di brevetti concessi per dispositivi di potenza GaN verticali. Ultimamente, Toyoda Gosei ha annunciato una collaborazione di successo con l'Università di Osaka per sviluppare substrati GaN da 6 pollici di diametro destinati ai dispositivi di potenza.
Seguendo l'esempio di Toyota Group, Fuji Electric e NexGen sono emersi come i principali leader IP per i dispositivi di potenza GaN verticali, con Bosch come principale sfidante IP. Come mostrato nella Figura 3, l’Università di Xidian sta colmando il divario con altri importanti attori della proprietà intellettuale, sebbene finora la sua attività nel campo della proprietà intellettuale sia stata limitata alla Cina.
Il principale campo di battaglia IP per la tecnologia GaN verticale si trova negli Stati Uniti
Gli Stati Uniti rappresentano il maggior numero di brevetti concessi per dispositivi di potenza GaN verticali, davanti al Giappone. In effetti, la maggior parte degli operatori IP consolidati in questo spazio sono operatori giapponesi che hanno concentrato la propria strategia IP sul territorio degli Stati Uniti, oltre al paese in cui hanno sede (Figura 4). Tuttavia, secondo l’attuale tendenza della proprietà intellettuale, la Cina potrebbe presto diventare lo spazio più affollato in termini di brevetti GaN verticali.
Figura 4: Strategie IP dei principali attori concorrenti a livello mondiale.
A partire dal 2023, i player giapponesi non mirano ad estendere la propria leadership IP ad altri paesi (Cina, Corea del Sud, Taiwan, Germania). A parte gli attori giapponesi, i principali attori della proprietà intellettuale non sono interessati a proteggere le loro invenzioni in Giappone. NexGen mira invece a rafforzare la propria posizione IP in Cina. Non sorprende che la maggior parte degli attori cinesi concentri le proprie attività di proprietà intellettuale sul proprio territorio nazionale e non abbia mostrato attività significative di proprietà intellettuale negli altri paesi. Allo stesso modo, finora Bosch ha quasi limitato le sue attività di proprietà intellettuale all’Europa, depositando solo tre brevetti statunitensi e due brevetti cinesi. Tuttavia, recentemente Bosch ha depositato diverse domande PCT (Patent Cooperazione), il che potrebbe comportare un numero maggiore di domande di brevetto in questi paesi. Man mano che la tecnologia GaN verticale aumenta di maturità e trova nuove applicazioni, ci aspettiamo che gli operatori IP che intendono entrare nel mercato GaN di potenza con dispositivi verticali estendano la copertura geografica delle loro attività brevettuali, ovvero proteggano le loro invenzioni chiave nei principali mercati dell'elettronica di potenza .
Dopo 20 anni di innovazione, la competizione IP per la tecnologia GaN verticale è appena iniziata
Sebbene a partire dagli anni 1000 siano state depositate più di 2000 famiglie di brevetti (invenzioni) per coprire lo sviluppo della tecnologia GaN verticale, la concorrenza sulla proprietà intellettuale è stata finora notevolmente moderata. Questa situazione riflette un investimento relativamente limitato nella tecnologia dei dispositivi GaN verticali. Per fare un confronto, finora sono state divulgate più di 6000 invenzioni per dispositivi SiC di potenza, una tecnologia che sarebbe in diretta concorrenza con il GaN verticale nelle applicazioni di potenza. Tuttavia, entrambe le tecnologie hanno condiviso problemi tecnici simili in termini di lavorazione dei materiali e dei dispositivi, il che ha reso particolarmente difficile per loro raggiungere la maturità richiesta nelle applicazioni ad alta potenza e alta temperatura.
Tuttavia, diversi attori, comprese le aziende automobilistiche storiche, stanno ancora investendo nella tecnologia GaN verticale. In effetti, diversi operatori IP affermati (Fuji Electric, NexGen, Toyota Motor) e operatori IP relativamente nuovi (Denso, Bosch) stanno accelerando la richiesta di brevetti. Di conseguenza, si prevede che il panorama verticale dei brevetti GaN diventerà sempre più competitivo nel prossimo decennio. È importante sottolineare che, man mano che questa tecnologia si dimostra, diversi attori IP consolidati nel settore potrebbero riprendere le loro attività IP per prepararsi all’industrializzazione e alla commercializzazione dei dispositivi di potenza GaN verticali (ROHM, Seoul Semiconductor, Sumitomo Electric).
Punto di svolta nella brevettazione di GaN RF negli ultimi 2 anni
Le dinamiche IP dei dispositivi Power GaN preannunciano la futura crescita del mercato
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- Fonte: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/dec/knowmade-111223.shtml
