前回、次世代半導体の一つ、炭化ケイ素について見ていきました。
前回記事：【特許銘柄／次世代半導体２】ＳｉＣ（炭化ケイ素）半導体の特許出願動向から選定した主要企業１０選
次世代半導体として期待されているものは、まだ他にもあります。
今回はその一つとして挙げられる窒化ガリウムに焦点を絞ります。
窒化ガリウムを素材とする半導体に関して有望な企業はどこなのか？
特許出願件数から探ってみました。
結論（簡易版）は以下の通りです。
＜特許銘柄TOP10＞（2000年-2022年）（非上場を含む）
| 1 | 住友電気工業 【5802】 |
| 2 | 三菱電機 【6503】 |
| 3 | パナソニック 【6752】 |
| 4 | 東芝 |
| 5 | シャープ 【6753】 |
| 6 | 豊田合成 【7282】 |
| 7 | 日亜化学工業 |
| 8 | ローム 【6963】 |
| 9 | 富士通 【6702】 |
| 10 | 三菱化学 |
ただし、上記結論は特許検索条件などによって変わってくるものです。詳細については下記をご確認ください。
１．本評価の概要
本評価は特許情報に基づき、対象技術の開発に関わる銘柄（本サイトでは「特許銘柄」と呼びます。）を客観的に導き出そうとするものです。
本評価については以下の記事で紹介しています。
【開発力評価メソッド】特許出願に関する情報から技術開発に関わる銘柄を評価
簡単に説明すると、以下の考え方に基づいています。
① 開発開始時期：最初の出願が古い→早くから開発に着手（古いほど評価高い）
② 開発継続性：出願が継続→技術開発が続いている（継続するほど評価高い）
③ 開発成果：出願件数が多い→開発成果が出ている（成果が多いほど評価高い）
すなわち、どこよりも早くから出願され（①）、毎年出願されていて（②）、その件数が多い（③）ほど、評価される銘柄だと考えます。
これらは、技術開発によって技術課題を解決する道筋が見えると、その成果が特許出願されるという前提に立っています。
本サイトでは個々の特許は評価対象にしていません。
本サイトは特許出願件数を指標にして技術を生み出し続ける力（開発力）を評価するものです。
＜注意点＞
特許出願件数に基づく企業の開発力の評価には以下の問題点がありますので十分にご注意ください。
・単に出願件数が多いだけの企業を過大評価することがあります。
・個々の特許を評価対象としていないので、価値の高い技術や特許を保有する企業を過小評価することがあります。
・現実には開発成果が特許出願されない場合があります。
・対象技術が特許出願された場合であっても、特許検索において情報漏れが生じることがあります。
・特許検索において対象技術との関連性の低いノイズ情報を拾ってしまうことがあります。
・対象技術の市場性や対象企業における影響は別個判断が必要です
（まとめると、ざっくりとした評価であり、間違いもあります、ということです。）
２．特許銘柄の評価方法
２.１ 評価対象
窒化ガリウム半導体に関連する技術が対象です。
２.２ 特許検索ツール
特許情報プラットフォーム（J-PlatPat）
２.３ 検索条件
文献種別：国内文献
検索キーワード：
検索項目（ⅰ） 請求の範囲「半導体」
検索項目（ⅱ） 請求の範囲「GaN ガリウムナイトライド 窒化ガリウム」
検索項目（ⅲ） FI「H01L」
検索条件：検索条件（ⅰ） AND 検索条件（ⅱ） AND 検索条件（ⅲ）
日付指定：出願日 20000101～20221231
３．特許銘柄の評価結果
３.１ 期間別の出願件数の推移
2000年～2007年、2008年～2015年、2016年～2022年の３つの区間に分けました。
各期間における総出願人数と総出願件数は以下の通りです（出願人数は筆頭出願人のみカウント）。
出願人の数、総出願件数ともに2008年-2015年をピークとする山なりの傾向です。
これは前回見た炭化ケイ素半導体の出願と同じ傾向です。
各期間の出願件数上位企業は以下の通りです。
（１）2000年～2007年
出願人数403のうちの上位5社の推移です。
上図の出願件数を企業ごとに平均化したのが下の表１です。
＜表１＞
| パナソニック | 27 件/年 |
| 住友電気工業 | 24 件/年 |
| シャープ | 21 件/年 |
| 日亜化学工業 | 20 件/年 |
| 昭和電工 | 19 件/年 |
（２）2008年～2015年
出願人数477のうちの上位5社の推移です。
上図の出願件数を企業ごとに平均化したのが下の表２です。
＜表２＞
| 住友電気工業 | 42 件/年 |
| 東芝 | 37 件/年 |
| 三菱電機 | 35 件/年 |
| シャープ | 22 件/年 |
| 豊田合成 | 20 件/年 |
（３）2016年～2022年
出願人数404のうちの上位5社の推移です。
上図の出願件数を企業ごとに平均化したのが下の表３です。
＜表３＞
| 三菱電機 | 25 件/年 |
| ローム | 13 件/年 |
| 日機装 | 13 件/年 |
| 富士電機 | 10 件/年 |
| 日亜化学工業 | 8.1 件/年 |
（４）出願上位企業の推移
下の表４は表１～表３をまとめたものです。
＜表４＞
| 2000年～2007年 | 2008年～2015年 | 2016年～2022年 | |
| 1 | パナソニック （27 件/年） |
住友電気工業 （42 件/年） |
三菱電機 （25 件/年） |
| 2 | 住友電気工業 （24 件/年） |
東芝 （37 件/年） |
ローム （13 件/年） |
| 3 | シャープ （21 件/年） |
三菱電機 （35 件/年） |
日機装 （13 件/年） |
| 4 | 日亜化学工業 （20 件/年） |
シャープ （22 件/年） |
富士電機 （10 件/年） |
| 5 | 昭和電工 （19 件/年） |
豊田合成 （20 件/年） |
日亜化学工業 （8.1 件/年） |
３.２ 全対象期間での出願件数
下図は全対象期間における出願件数上位10社です。
各期間における出願件数の平均値を結んだ線であらわしています。
出願件数が時間経過とともに一貫して減少している企業、2008年-2015年をピークとする企業が大半です。
各期間の平均出願件数を下の表5にまとめました。
全期間におけるトータル出願件数が多い順に上から表示しています。
括弧内のパーセントは他社を含めた総出願件数に対する割合です。
＜表５＞
| 平均出願件数 | ||||
| 2000年-2007年 | 2008年-2015年 | 2016年-2022年 | ||
| 1 | 住友電気工業 | 24 件/年 (5.5%) |
42 件/年 (8.5%) |
5.0 件/年 (1.9%) |
| 2 | 三菱電機 | 3 件/年 (0.8%) |
35 件/年 (6.9%) |
25 件/年 (9.2%) |
| 3 | パナソニック | 27 件/年 (6.2%) |
21 件/年 (4.2%) |
6.3 件/年 (2.4%) |
| 4 | 東芝 | 11 件/年 (2.4%) |
37 件/年 (7.5%) |
6.7 件/年 (2.5%) |
| 5 | シャープ | 21 件/年 (4.8%) |
22 件/年 (4.4%) |
0.4 件/年 (0.2%) |
| 6 | 豊田合成 | 18 件/年 (4.1%) |
20 件/年 (4.1%) |
5.1 件/年 (1.9%) |
| 7 | 日亜化学工業 | 20 件/年 (4.6%) |
8.0 件/年 (1.6%) |
8.1 件/年 (3.0%) |
| 8 | ローム | 12 件/年 (2.7%) |
12 件/年 (2.3%) |
13 件/年 (4.8%) |
| 9 | 富士通 | 5.1 件/年 (1.2%) |
16 件/年 (3.1%) |
7.4 件/年 (2.8%) |
| 10 | 三菱化学 | 13 件/年 (2.8%) |
14 件/年 (2.8%) |
0.6 件/年 (0.2%) |
パナソニックはパナソニックIPマネジメントの出願数を含みます。
次に、上表に示されるデータを上記１の考え方に照らしてみます。
①開発開始時期
全10社が既に2000年-2007年には出願しています。
②開発の継続性
全10社が全期間で出願を継続しています。
③開発成果
トータルで500件以上出願しているのは、住友電気工業です。
それに続くのが三菱電機です。
トータル出願件数は以下の通りです。
＜表６＞
| 住友電気工業 | 564 件 |
| 三菱電機 | 476 件 |
| パナソニック | 430 件 |
| 東芝 | 428 件 |
| シャープ | 349 件 |
４ まとめ：特許銘柄TOP10
表5に基づく評価は以下の通りです。
①開発の開始時期・・・全10社に大差なし
②開発の継続性・・・全10社に大差なし
③開発成果・・・住友電気工業、三菱電機が多い。
上記①の観点だと上位10社の開発力はいずれも評価できます。
上記②の観点だと上位10社の開発力はいずれも評価できます。
上記③の観点も含めると住友電気工業が評価できます。次が三菱電機です。
これらをまとめると以下の通りです。
＜表７＞
| 出願情報 | ||||
| ①開始時期 | ②継続性 | ③成果 | ||
| 1 | 住友電気工業 【5802】 | 〇 | 〇 | 564 件 (6.0%) |
| 2 | 三菱電機 【6503】 | 〇 | 〇 | 476 件 (5.1%) |
| 3 | パナソニック 【6752】 | 〇 | 〇 | 430 件 (4.6%) |
| 4 | 東芝 | 〇 | 〇 | 428 件 (4.6%) |
| 5 | シャープ 【6753】 | 〇 | 〇 | 349 件 (3.7%) |
| 6 | 豊田合成 【7282】 | 〇 | 〇 | 343 件 (3.7%) |
| 7 | 日亜化学工業 | 〇 | 〇 | 282 件 (3.0%) |
| 8 | ローム 【6963】 | 〇 | 〇 | 278 件 (3.0%) |
| 9 | 富士通 【6702】 | 〇 | 〇 | 218 件 (2.3%) |
| 10 | 三菱化学 | 〇 | 〇 | 217 件 (2.3%) |
上記①の〇は2000年～2007年に出願が確認されたもの
上記②の〇は出願の継続性が確認されたもの
上記③成果の割合は総出願数に対するもの
三菱化学については出願人名「三菱化学株式会社」の情報のみを表中に記載
５ ご参考
以下、個々の特許出願明細書中の記載などを参考に技術情報を整理しました。
５.１ 窒化ガリウムとは
窒化ガリウム（Gallium Nitride, GaN）はガリウム（Ga）と窒素（N）からなる化合物半導体材料です。
シリコン（Si）が主流である現在の半導体市場において、Siよりも優れた特性を持つワイドバンドギャップ半導体の一つとして位置づけられています。
５.２ 他の次世代半導体を含めた比較
以下は前回記事でまとめた半導体の比較表です。
＜表８＞
| 特性項目 | 特性の利点例 | シリコン | 炭化ケイ素 | 窒化ガリウム | 酸化ガリウム |
| バンドギャップ | 安定動作 | × | △ | △ | 〇 |
| 絶縁破壊電界強度 | デバイス小型化 | × | △ | △ | 〇 |
| 電子移動度 | ON/OFFの切替速度 | △ | × | 〇 | × |
| 飽和ドリフト速度 | 高速動作 | × | 〇 | 〇 | × |
| 熱伝導率 | 冷却容易 | △ | 〇 | × | × |
| 耐熱温度 | 高温安定動作 | × | 〇 | △ | 〇 |
| 製造コスト | 安価大量生産 | 〇 | × | × | ？ |
| 結晶成長の容易さ | 高品質安価大量生産 | 〇 | × | × | △ |
| 欠陥密度 | 高品質 | 〇 | × | × | ？ |
| 高耐圧・大電力性能 | 高電圧、大電流制御 | × | 〇 | △ | 〇 |
| 高周波性能 | 高速通信、電力変換 | × | △ | 〇 | × |
| Ｐ型半導体化 | 回路設計の自由度 | 〇 | 〇 | △（？） | × |
上表中の〇、△、×は相対的なものです（〇が優位と思われるもの、△は中間、×は不利と思われるもの）。（バンドギャップなどの物性値は不変なものですが、製造コストなど開発状況や普及度合いによって変わってくるものもありますので、あくまでご参考ということで）
５.３ GaNのメリットなど
上表の通り、他の半導体との比較において、GaNは電子移動度と飽和ドリフト速度が相対的に優れていると言われています。
・電子移動度
電子が材料中の電界にどれだけ速く応答して移動できるかを示す指標です。
これにより、電流のオンオフの切り替えを非常に高速におこなうことができます。
また、スイッチング速度が速ければ速いほど、より高い周波数での動作が可能となり、結果として高周波領域での効率が向上します。
・飽和ドリフト速度
電界が強くなったときに、電子が到達する最大速度です。
GaNはSiCよりもこの飽和ドリフト速度も若干高いため、電子がデバイス内をより迅速に移動でき、これも高速動作に寄与します。
これらの特性から、高速スイッチング、逆回復損失（スイッチのオン／オフの切替え時に一瞬だけ逆方向にも電気が流れてしまうこと）の少なさが窒化ガリウムのメリットして挙げられます。
一方、デメリットとしては、高コストであることや結晶欠陥の発生しやすさなどが挙げられます。
これらが完全に克服されることを今後の展開に期待しましょう。
５.４ GaNの用途
上記特性に基づき、以下の用途の期待度が高いと言えます。
・急速充電器、ACアダプター
高いスイッチング周波数により充電器内のコイルやコンデンサーといった部品を小型化できます。
これにより、手のひらサイズの充電器でノートPCやスマートフォンを高速充電できます。
また、スイッチング時の電力損失が極めて少ないため、充電器自体の発熱が抑えられ、消費電力を減らせます。
・5G/Beyond 5G通信基地局、通信機器の高周波（RF）アンプ、電源部
ギガヘルツ（GHz）レベルの周波数帯でも高効率で動作できるため、基地局から電波を送り出すRFアンプの性能向上に直結します。
高い効率と低損失は、基地局全体の消費電力を削減します。
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＜出典、参考＞
・特許情報プラットフォーム（https://www.j-platpat.inpit.go.jp/）にて公開されている情報
・経産省 半導体政策の動向
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