Электроника на основе нитрида галлия: патенты в мире и в России

В 2023 году мы рассказывали на Хабре про галлий и основные направления в электронике.

По типу устройств в настоящее время выделяют:

• силовые полупроводники;

• радиочастотные (RF) устройства;

• оптоэлектронные устройства.

По областям применения рынок сегментирован на потребительскую электронику, автомобилестроение, телекоммуникации, аэрокосмическую и оборонную отрасли, энергетику, промышленность, медицину и др.

В маркетинговом исследовании (апрель 2026 года) согласно прогнозам, мировой рынок полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия вырастет с 3,7 млрд долларов в 2025 году до примерно 52,1 млрд долларов  к 2035 году, продемонстрировав беспрецедентный абсолютный прирост в 48,4 млрд долларов США за прогнозируемый период. Таким образом, общий рост составит 1300,5 %, а совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) рынка в период с 2025 по 2035 год составит 30,3%. Основными компаниями, работающими на рынке, названы Infineon Technologies AG, Fujitsu Ltd., Efficient Power Conversion Corporation, Transphorm Inc., NXP Semiconductors, Qorvo, Inc., Texas Instruments Inc., Toshiba Corporation, GaN Systems, NTT Advanced Technology Corporation.

В данной статье рассмотрен патентный аспект.

Патенты на электронику на основе нитрида галлия

На портале Google.Patents поиск по запросу GaN Electronics показывал более 100 000 документов на апрель 2026 г. В рамках Международной патентной классификации рейтинг тематик был следующим:

• полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования энергии или информации H10D – 40,5%;

• электрические переключатели; реле; селекторные устройства; устройства для защиты от аварий H10H – 35,6%;

• передача цифровой информации H01L – 13,5%;

• выращивание монокристаллов; направленная кристаллизация эвтектик или направленное расслаивание эвтектоидов; очистка материалов зонной плавкой; получение гомогенного поликристаллического материала C30B – 13,3%;

• устройства со стимулированным излучением H01S – 9,1%;

• использование наноструктур B82Y – 8,7%;

• магниты; индуктивности; трансформаторы; выбор материалов, обеспечивающих магнитные свойства H10F – 6,2%;

• импульсная техника H03K – 5% и т.д.

Видно, что основной код МПК – полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования энергии или информации. Второй по значимости код МПК – электрические переключатели; реле; селекторные устройства; устройства для защиты от аварий H10H.

Google.patents по специальному запросу (GaN Electronics) (H10D) указал 74 200 патентных документов. Динамика мирового патентования по годам представлена на рис. 1.

Видно, что с 1992 по 2001 год патентование изобретений было около нулевым. В 2010-2013 гг. плавно росло. В 2013-2019 количество мировых патентов резко выросло. Последние годы патентование осуществлялось на стабильно высоком уровне.

Мировой рейтинг патентовладельцев по (GaN Electronics) (H10D), следующий:

1. Xidian University – 5,5%;

2. Avogy, Inc. – 3,9%;

3. University of Electronic Science and Technology of China – 2,7%;

4. Intel Corporation – 2.4%

5. Fujitsu Limited – 2%;

6. China Electronics Technology Group Corporation – 1,8%;

7. The Regents Of The University Of California – 1,6%;

8. South China University of Technology – 1,5%;

9. Peking University – 1,3%;

10. Cambridge Gan Devices Limited – 1,2%.

Видно лидерство китайцев и американцев. Причем, у первых это вузы и НИИ, а у вторых в большинстве случаев публичные компании с мировым именем. 

Примеры патентов:

• US20250040231A1 Gallium nitride (gan) three-dimensional integrated circuit technology.

• CN105895526B A kind of GaN-based power electronic device and preparation method thereof.

• US9484470B2 Method of fabricating a GaN P-i-N diode using implantation.

Мы провели второй специальных поиск патентов по (GaN Electronics) (H10H). Google.patents показал 79 100 патентов в мире. Динамика представлена на рис. 2.

Видно, что пик пройден в 2016-2019 годах. Лидеры мирового:

1. HC SemiTek – 5,7%;

2. Samsung Electronics Co., Ltd. – 2,7%;

3. Meta Platforms Technologies, Llc (запрещена на территории РФ) – 2,6%;

4. The Regents Of The University Of California – 2,1%;

5. Intel Corporation – 1,6%.

Возглавляет рейтинг китайская корпорация. Любопытно, что в данном рейтинге присутствует компания Марка Цукерберга. Названия прочих организаций говорят сами за себя.

Примеры патентов:

• US9206524B2 Conductivity based on selective etch for GaN devices and applications thereof.

• US11239348B2 Wafer bonded GaN monolithic integrated circuits and methods of manufacture of wafer bonded GaN monolithic integrated circuits.

• US11854810B1 Bonding methods for light emitting diodes.

Российские патенты

В базе ФИПС числится около 100 патентов на изобретения с нитридом галлия начиная с 1996 г. Патентообладателями выступали примерно 50 юр. лиц, в основном российских, и до 10 частных лиц, а также несколько иностранных компаний, например ЗЕ БОИНГ КОМПАНИ (US), КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС Н.В. (NL), КОНСТРЮКСЬОН ЭЛЕКТРОНИК ПЛЮС ТЕЛЕКОММЮНИКАСЬОН (BE), СЭН-ГОБЭН КРИСТО & ДЕТЕКТЁР (FR), САМСУНГ ЛЕД КО., ЛТД. (KR). Порядка 20 заявок на изобретения были отклонены или же отозваны заявителями.

В базе ФИПС 20 патентов РФ на полезные модели. Они, опубликованные в 2013-2025 гг., коррелируют с патентами РФ на изобретения. Патентообладателями выступали примерно 15 юр. лиц, несколько «физиков». 

Динамика публикации патентов и баз данных за последние 20 лет представлена на рис. 3.

Видно, что всплеск патентов пришёлся на 2013-2020 годы. Тогда патентовались такие серьёзные предприятия как АО "Научно-производственное предприятие "Пульсар" (Москва), АО "Научно-производственное предприятие "Исток" им. А.И. Шокина" (Фрязино), Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС").

Примеры патентов РФ на изобретения:

№2479892 (2013) ООО "Галлий-Н" (СПб). Способ изготовления полупроводниковых светоизлучающих элементов. Изобретение относится к способам, специально предназначенным для изготовления приборов для светового излучения методом хлоридно-гидридной эпитаксии. 

№2563533 (2015) ОАО "Научно-производственное предприятие "Пульсар" (RU). Мощный переключатель СВЧ. Изобретение относится к области создания полупроводниковых изделий, а именно к мощному переключателю СВЧ на основе соединения галлия , содержащему подложку, поверх которой размещена эпитаксиальная гетероструктура и барьер Шоттки. 

№2699606 (2019) Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Способ ионно-лучевого синтеза нитрида галлия в кремнии. Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к способам ионно-лучевого синтеза нановключений нитрида галлия в кремнии, и может быть использовано при изготовлении устройств опто- и микроэлектроники нового поколения. 

№2731498 (2020) Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук. Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора и функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора. Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов и может найти применение в промышленном производстве светоизлучающих устройств и фоточувствительных элементов. 

№2787550 (2023) АО "Научно-производственное предприятие "Исток" им. А.И. Шокина" (Фрязино). Способ изготовления мощного полевого транзистора СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия. Изобретение относится к электронной технике СВЧ.

Примеры патентов РФ на полезные модели:

№135186 (2013) ООО "Новые Кремневые Технологии" (СПб). Полупроводниковое светоизлучающее устройство. Полупроводниковое светоизлучающее устройство, характеризующееся тем, что имеет в своем составе электроды и темплейт со сформированными на нем активными слоями, при этом темплейт имеет в своей основе слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, сформированный на буферном слое нитрида алюминия, нанесенного на складчатую поверхность слоя карбида кремния.

№140856 (2014) АО "Научно-производственное предприятие "Пульсар" (Москва). Мощный переключатель СВЧ. Мощный переключатель СВЧ на основе соединения галлия, содержащий подложку, поверх которой размещена эпитаксиальная гетероструктура и барьер Шоттки, отличающийся тем, что переключатель СВЧ изготовлен на нитриде галлия, где в качестве подложки использован, сапфир.

Баз данных всего две единицы, обе зарегистрированы в 2019 г. на АО "Научно-производственное предприятие "Пульсар" (Москва). Например, №2019620580 Электронная библиотека патентного поиска по объекту "транзисторы на основе нитрида галлия". База данных содержит патентную информацию о патентах, отобранных по итогам проведенных патентных поисков.

Программ для ЭВМ зарегистрировано 4 штуки:

• №2013661928 Программа для проведения лабораторной работы по исследованию цветовых характеристик светодиодов. Программа предназначена для проведения лабораторной работы по исследованию цветовых характеристик светоизлучающих диодов (СД), в том числе выполненных на основе широкозонных алмазоподобных материалов, таких как карбид кремния, а также нитриды алюминия и галлия. 

• №2015611764 Расчет вывода излучения из светодиодной структуры методом Монте-Карло (Vivod izluchenia. vi). Программа предназначена для определения коэффициента вывода излучения из текстурированных светодиодных флип-чип структур на основе нитрида галлия. 

• №2017612423 Программа расчета спектра люминесценции массивов нанокристаллов нитрида галлия в диэлектрической матрице (GaNSpectr). Программа предназначена для моделирования спектров люминесценции структур, представляющих собой трехмерный массив случайным образом расположенных в диэлектрическом слое сферических нанокластеров нитрида галлия с радиусами, имеющими логнормальный закон распределения. 

• №2025682949 Программа для измерения скорости роста гетероэпитаксиальных структур на основе нитрида галлия-алюминия, выращиваемых методом аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии. Программа предназначена для измерения скорости роста полупроводниковых слоев на основе нитрида галлия -алюминия, выращиваемых методом аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии. 

НИОКР

В ГИС «Наука и инновации» по запросу «нитрид-галлиевая электроника» имеется 7 документов, в основном отчёты по НИР. Вновь открытых НИР на апрель 2026 года нет.

Ранее, в 2023-2024 гг. выполнена НИР «Разработка и изготовление многослойных поверхностных ионных ловушек для масштабируемого ионного квантового компьютера» за грант 15 млн руб. от ООО "Международный Центр Квантовой Оптики и Квантовых Технологий". Сотрудниками МИЭТ во главе с Владимиром Ильичом Егоркиным разработаны конструкции двух типов гетерогенных поверхностных ионных ловушек на гетероструктурах нитрида галлия. 

Аммиачная молекулярно-лучевая эпитаксия GaN гетероструктур на подложках кремния для силовых и СВЧ транзисторов разработана в 2022-2024 гг. Институт Физики Полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского Отделения РАН за грант 53,7 млн руб. Минобрнауки РФ. Проект направлен на создание научно-технического задела в области синтеза гетероэпитаксиальных структур с 2ДЭГ на основе соединений нитрида галлия-нитрида алюминия на кремнии для электронной компонентной базы силовой и СВЧ-электроники, а также на исследование структурных, электрофизических и оптических свойств ГЭС и характеристик формируемых на их основе транзисторов. 

Создание лаборатории нитрид-галлиевой и кремниевой электроники на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Воронежский государственный университет» осуществлено в 2023 г. за грант 100 млн руб. Финансы выделил Департамент образования, науки и молодежной политики Воронежской области.

Заключение

В мире последние 15-20 лет наблюдается активное патентование в области GaN электроники, особенно много в США и Азии (в первую очередь, КНР и Япония).

В РФ интеллектуальная собственность в этой сфере запатентована на приличном уровне, в том числе такими крупными производителями как АО "Научно-производственное предприятие "Пульсар" (Москва), АО "Научно-производственное предприятие "Исток" им. А.И. Шокина" (Фрязино), Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи", воронежское АО «НИИ Электронной Техники».