Полупроводниковая оптоэлектроника: патентный анализ

Оптоэлектронные устройства, содержащие в цепи сигнала оптические звенья, обеспечивают электромагнитную совместимость отдельных частей аппаратуры, стойкость к воздействию электромагнитного излучения и помехозащищенность приборов. Вместе с тем оптоэлектронным устройствам присущи недостатки, связанные с низкой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения, что ограничивает их использование в радиационно-стойкой аппаратуре. Основными элементами оптоэлектронных устройств являются источники и приемники излучения, а также оптические среды. Эти элементы применяются как в виде различных комбинаций, так и в виде автономных устройств и узлов с самостоятельными частными задачами. О них мы сегодня и поговорим.

Где применяются

Фотоэлектрические преобразователи лазерного излучения являются одними из главных компонентов волоконно-оптических линий связи, оптических дальномеров, оптических охранных систем и других оптоэлектронных устройств. Эти устройства обеспечивают гальваническую развязку между источником излучения (лазером) и фотопреобразователем. Также они невосприимчивы к электромагнитным помехам в радиодиапазоне и сами не являются источником таких помех. По этим причинам оптоэлектронные устройства имеют неоспоримые достоинства в задачах, где предъявляются строгие требования по обеспечению электромагнитной совместимости и где использование медных проводников между источником и приемником невозможно или нежелательно.

Значительный интерес при решении многих прикладных задач современной оптоэлектроники представляют направляющие волноводные структуры, в которых можно создать условия для снижения фазовых и групповых скоростей распространяющихся в них электромагнитных волн (ЭМВ) более чем на два порядка по отношению к скорости света в вакууме. Существенное замедление ЭМВ в таких структурах открывает возможность дальнейшего создания усилителей и генераторов терагерцового диапазона, работающих по принципу усиления ЭМВ при ее взаимодействии с потоком заряженных частиц. На практике подобное взаимодействие положено в основу работы целого ряда СВЧ-приборов и устройств: клистронов, линейных ускорителей заряженных частиц, ламп бегущей и обратной волны

Известны технические решения, в которых функционально объединены и оптически связаны между собой излучатель и приемник излучения в виде оптоэлектронной пары. Особенностью оптоэлектронной пары с электрическим входом и выходом, является двойное преобразование энергии, электрической в оптическую и обратно. При этом во входной цепи светодиод трансформирует электрические сигналы в оптическое излучение, которое преобразуется в фотодиодах в электрический ток в выходной цепи. Если источник и приемник излучения электрически не соединены, реализуется гальваническая развязка входа и выхода. В оптоэлектронных парах чаще используются излучающие диоды на основе гетероэпитаксиальных структур соединений А3В5 и кремниевые фотоприемные устройства. В оптоэлектронных парах обычно генерируется излучение с длиной волны в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. Фотоприемные устройства, созданные на основе объемного кремния, либо кремниевых эпитаксиальных структур, обладают низким уровнем стойкости к γ-нейтронному излучению, что и обусловливает низкую стойкость серийно изготавливаемых оптоэлектронных пар.

Известно использование фотолюминесцентного излучателя, полупроводникового фотоэлемента и оптрона, на их основе, в спектрально-аналитической, пирометрической и тепловизионной аппаратуре. Технический результат для излучателя и фотоэлемента заключается в создании серии фотолюминесцентных излучателей различных интервалов длин волн, с максимумами, соответствующими полосам поглощения исследуемых веществ. В патенте применен полупроводниковый фотоэлемент на основе соединений селенида свинца в виде поликристаллического слоя на диэлектрической подложке, с потенциальным барьером в форме р-n перехода, с добавлением селенида кадмия, висмута, хлора и кислорода, изменяющих область спектральной чувствительности, токовую чувствительность и фото ЭДС. Технический результат для оптрона связан с расширением спектрального диапазона оптической связи, что дает возможность его использования для проведения спектрального анализа веществ.

Вариантом оптоэлектроники является лазерный оптрон, предназначенный, в частности, в быстродействующих системах оптической связи. Лазерный диод оптрона излучает в ближней и средней инфракрасной области спектра. Лазерный диод через жесткую оптическую среду связан с фотодиодом, полоса поглощения которого также находится в ближней и средней инфракрасной области спектра. Лазерный диод и фотодиод, связанные оптически прозрачной средой, монтируются в герметичном изолирующем корпусе. В качестве фотодиодов могут использоваться pin диоды либо лавинные фотодиоды.

В опубликованном в июле 2025 года маркетинговом исследовании ^[1] Optoelectronics Market Research Report рынок оптоэлектроники оценивался в 41,53 млрд долларов, а к 2035 году его объём, по прогнозам, достигнет 75 млрд долларов при среднегодовом темпе роста 5,05 % в период с 2025 по 2035 год. Рынок развивается благодаря растущему спросу на передовые коммуникационные технологии, энергоэффективные решения в области освещения и интеграцию оптоэлектронных компонентов в различные отрасли, включая автомобилестроение, производство бытовой электроники и здравоохранение. Ключевые игроки делают упор на инновации и стратегическое партнёрство, чтобы повысить эффективность продукции и удовлетворить растущие потребности рынка. 

На рынке оптоэлектроники наблюдаются значительные тенденции, обусловленные технологическим прогрессом и отраслевым спросом. 

• Прогнозируемый доход от применения освещения: 12 миллиардов долларов США в 2024 году, рост до 20 миллиардов долларов США к 2035 году;

• Сектор бытовой электроники является одним из основных драйверов роста: мировые поставки смартфонов превысили 1,5 миллиарда единиц;

• Северная Америка лидирует на рынке с показателем в 15,5 млрд долларов США в 2024 году, который вырастет до 26 млрд долларов США к 2035 году.

Основными игроками названы в докладе Emcore Corporation, Broadcom, Cree, Sharp Corporation, Panasonic Corporation, Samsung Electronics, Osram Licht, Mitsubishi Electric, LG Innotek, NXP Semiconductors, Siemens AG, Texas Instruments, Sony Corporation, Toshiba Corporation, Infineon Technologies.

В данной публикации нас интересует патентный аспект.

Патенты на оптоэлектронику

Патентный портал Google по запросу Optoelectronics показывает более 100 000 документов. По международной патентной классификации лидируют следующие темы:

• полупроводниковые приборы H01L ^[2] – 28,5%;

• оптические элементы, системы или приборы G02B ^[3] – 15,9%;

• электрические переключатели; реле; селекторные устройства; устройства для защиты от аварий H10H ^[3] – 14,2%;

• органические электрические твердотельные устройства H10K ^[3] – 13,5%;

• магниты; индуктивности; трансформаторы; выбор материалов, обеспечивающих магнитные свойства H10F ^[4] – 12.8%;

• оптические устройства G02F ^[3] – 12,7%;

• элементы запоминающих устройств G11C ^[3] – 11,2%;

• схемы или устройства управления индикаторными приборами с использованием статических средств для представления переменных величин G09G ^[3] – 10,9%.

Группа лидеров по количеству патентов состоит из азиатских и американских компаний:

1. Semiconductor Energy Laboratory ^[5] – 24,2;

2. Micron technology ^[6] – 3%

3. The Regents Of The University Of California ^[7] – 2,2%;

4. Wuhan China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd. ^[8] – 1,8%;

5. Shenzhen China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd. ^[9] – 1,6%.

На первом месте с серьезным отрывом от конкурентов расположилась фирма патентного короля Японии Ямадзаки Сюмпэя Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd.. Ему мы уже посвятили отдельный материал ^[10] на Хабре. Далее идут американские Micron и Калифорнийский университет. Но китайские товарищи вот-вот их нагонят. 

Динамика патентования представлена на рис. 1

Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений по оптоэлектронике в 1992-2025 гг., условные ед.

Видно, что пик публикации патентов пришёлся на 2010-2013 годы, после чего снизился в 10 (!) раз. Очевидно, что многие подразделы оптоэлектроники утеряли изобретательскую перспективность, стали рутинными, а в отдельных позициях – неактуальными. 

При этом следует подчеркнуть, что по теме полупроводниковых приборов оптоэлектроники наблюдался рост изобретательской активности (рис. 2), общее количество патентов превысило 64 000. 

Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений по полупроводниковым приборам оптоэлектронике (Optoelectronics) (H01L) в 1992-2025 гг., условные ед.

Лидеры здесь немного другие:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. ^[11] – 14,5%;

2. Semiconductor Energy Laboratory ^[12] – 4.4%;

3. Samsung Electronics Co., Ltd. ^[13] – 2,8%;

4. International Business Machines Corporation ^[14] – 1,8%;

5. Infineon Technologies Ag ^[15] – 1,3%;

6. Micron Technology, Inc. ^[16] –  1,2%;

7. Monolithic 3D Inc. ^[17] – 1,2%.

   Здесь лидерство за TSM, а SEL уже на втором месте. За ними следуют всем известные фирмы-производители электроники и полупроводников из разных стран.   

Примеры:

• CN116364812A Fabrication method of laser-assisted flexible substrate Micro-LED array;

• CN116565081A Light-emitting diode with improved reliability and method of manufacturing the same;

• TW202447581A All-inorganic upcoversion display.

Российская патентная активность

База ФИПС выдаёт 424 патента РФ на изобретения по запросу в реферате «оптоэлектроника». По «H01L «полупроводниковые приборы» в ФИПС 136 ед. за период 1995-2025 гг., из которых 23 действующие (рис. 3). 

Рисунок 3: Динамика публикаций действующих российский патентов на изобретения по полупроводниковым приборам оптоэлектронике в 2010-2025 гг., ед.

Видна тенденция роста патентов по полупроводниковой оптоэлектронике, что согласуется с общемировым трендом. Примеры патентов РФ на изобретения:

№2404487 ^[18] (2010) Лавинный фотодиод. Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Изобретение может быть использовано в оптических системах связи, в системах измерения в качестве оптоэлектронного датчика, в том числе в системах детектирования частиц высоких энергий, в интегральной оптоэлектронике. 

№2739863 ^[19] (2020) Способ создания диодных оптоэлектронных пар, стойких к гамма-нейтронному излучению. Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (Саров). Техническим результатом предполагаемого изобретения является создание диодных оптоэлектронных пар с предельными уровнями стойкости к воздействию гамма-нейтронного облучения, соответствующими требованиям к радиационно-стойким устройствам систем управления и связи. 

№2828169 ^[21] (2024) Фотопреобразователь лазерного излучения. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (СПб). Фотопреобразователь лазерного излучения на основе фоточувствительной полупроводниковой структуры с чередующимися токоотводящими полосковыми контактами. 

Поиск патентов на полезные модели по рефератам базы ФИПС дал по оптоэлектронике 81 ед., причём по полупроводниковой оптоэлектронике (H01L) 27 ед., из которых четыре действующих. Приведем примеры:

№220 600 ^[23] (2023) Гетероструктурный фотодиод для ближнего и среднего ИК-диапазона на основе нитевидных нанокристаллов арсенида-фосфида-висмутида индия на подложках кремния. Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова. Полезная модель относится к области полупроводниковой оптоэлектроники и может быть использована для создания фотодиодов, работающих в области ближнего и среднего инфракрасного диапазонов на основе гетероструктуры, состоящей из нитевидных нанокристаллов (ННК) твердых растворов полупроводникового материала InPAsBi и подложки Si, на которой данные кристаллы синтезируются.

№230387 ^[24] (2024) Красный микросветодиод на основе p-i-n гетероструктуры GaP(N,As) в виде нитевидных нанокристаллов на кремниевой подложке. Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова. Техническим результатом при реализации настоящей полезной модели является увеличение эффективности вывода излучения за счет того, что в качестве активной области в конструкции p-i-n микросветодиода выступают ННК на подложке кремния, у которых высота больше их диаметра, а также уменьшение размеров классических светодиодов до размеров одного ННК, что может обеспечивать свечение как одного ННК, так и группы ННК, в зависимости от площади контактной области, что приводит к повышению разрешения микросветодиодных матриц без увеличения стоимости конечного устройства.

Топологий интегральных схем и баз данных нет.

Имеется 8 программ для ЭВМ за период 2021-2025 гг., например:

• №2021681919 ^[26] Многоканальный спектральный осциллограф с функцией синхронного детектирования. МИРЭА-Российский технологический университет. Выделение слабых сигналов на фоне шумов, значительно их превышающих, является крайне важной задачей в нано- и оптоэлектронике. Ее решение позволяет исследовать низкоинтенсивные процессы, протекающие в наноматериалах и наноструктурах.

• №2024611343 ^[27] Программное обеспечение автоматизированного аппаратно-программного комплекса для серийной оптической стыковки компонентов оптоэлектроники и интегральной фотоники (ААПК-СК). ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания». НИОКТР

На портале ГИС «Наука и инновации» 3891(!) документ по запросу «оптоэлектроника». Нас привлекли начинаемые НИОКТР, которые с высокой вероятностью сулят новые патенты на изобретения и полезные модели, а также другую интеллектуальную ценность и собственность.

Фундаментальные и прикладные исследования в области создания новых устройств фотоники и волоконной оптики осуществляет в 2025-2027 гг. Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук за грант 215,2 млн руб. от Минобрнаука РФ. Целью исследования является разработка новых устройств волоконной оптики и оптоэлектроники, в частности, сенсорики, лазерной техники, новых видов волоконных световодов, полупроводниковой фотоники, а также изучение фундаментальных механизмов и процессов, происходящих в оптических диэлектрических и полупроводниковых материалах и структурах, усовершенствование технологических методов создания специальных волоконных световодов. 

Разработка технологических основ создания и исследование новых перспективных материалов и структур для функциональных элементов опто- и радиоэлектроники за грант 273,1 млн руб. является предметом для объединения ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, ФИАН им. П.Н.Лебедева, ФКП "ГЛП "Радуга", ВлГУ им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина», МГУ им. Н. П. Огарёва. Основное внимание будет уделено лазерной керамике, обладающей высокой оптической прозрачностью и термостойкостью, что делает её перспективной для применения в лазерных системах. Также будут исследованы органические люминесцентные материалы, которые могут быть использованы в светоизлучающих устройствах и сенсорах благодаря их высокой эффективности люминесценции. Особое внимание будет уделено разработке фотоэмиссионного излучателя для генератора электромагнитных импульсов (ЭМИ), что открывает новые возможности в создании компактных и мощных источников излучения для радиоэлектронных систем.

Заключение

Мировая патентная активность в оптоэлектронике противоречивая. За последние 5-10 лет в некоторых направлениях она упала в 2-10 раз (например, органические электрические твердотельные устройства H10K), в отдельных имеет платообразный характер (в частности оптические элементы, системы или приборы G02B ^[3]), и только в полупроводниковой оптоэлектронике наблюдается устойчивый рост темпа патентования изобретений.

Российская творческая активность в области полупроводниковой оптоэлектроники также демонстрирует рост – как в патентах на изобретения, так и программах для ЭВМ, особенно в 2022-2024 гг.