隧穿場效應(yīng)晶體管的專利申請態(tài)勢分析

車曉璐 吳海濤

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局，北京 100088）

隧穿場效應(yīng)晶體管的專利申請態(tài)勢分析

車曉璐 吳海濤

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局，北京 100088）

本文首先介紹了隧穿場效應(yīng)晶體管（TFET）的原理和發(fā)展概況，隨后對2016年3月31日前已公開了TFET的相關(guān)專利申請進(jìn)行統(tǒng)計分析，給出專利技術(shù)發(fā)展趨勢、區(qū)域分布和申請人分布，幫助技術(shù)人員了解TFET技術(shù)專利發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并希望對技術(shù)人員尋找進(jìn)一步研究的方向提供幫助。

TFET；專利申請態(tài)勢

從1965年“摩爾定律”被提出以來，集成電路的演進(jìn)遵循著摩爾預(yù)言的這種指數(shù)規(guī)律。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）作為集成電路的基本單元其小型化已經(jīng)趨于物理極限。同時，傳統(tǒng)的CMOS工藝越來越不能滿足降低功耗的需求，這主要是由于MOSFET是基于擴(kuò)散漂移工作的，其工作機理導(dǎo)致其亞閾值擺幅的下限約為60mV/dec，且有限低的關(guān)斷電流［1］。為此，需要提出新的超低功耗器件，其需要在較低的驅(qū)動電壓下，保證高電流輸出開關(guān)比。其中一個方向是拋棄基于擴(kuò)散漂移的工作機制，引入基于新工作機制的晶體管，如TFET。

TFET是柵控反偏的PIN結(jié)器件，通過柵控PIN結(jié)實現(xiàn)源端載流子與溝道載流子帶帶隧穿，控制器件開關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)換。TFET由H.Kisaki等人在1973年提出，并由P.F. Wang等人于2004年率先應(yīng)用于CMOS開發(fā)。在理論上，TFET可以實現(xiàn)低于60mV/dec的亞閾值擺幅，且具有關(guān)態(tài)電流小，頻率特性好以及靜態(tài)功耗低等優(yōu)勢，被看成集成電路技術(shù)未來繼續(xù)按照“摩爾定律”發(fā)展的重要途徑，是低功耗領(lǐng)域的候選器件之一。2014年東芝已開發(fā)出與CMOS工藝兼容的針對不同應(yīng)用位置的三種TFET結(jié)構(gòu)，并將進(jìn)一步以量產(chǎn)為目標(biāo)，計劃2017年投產(chǎn)配備該TFET 的MCU。英特爾也將TFET作為10nm以后工藝的技術(shù)候補［2］。

我國在TFET器件的研究中也有優(yōu)秀的研究成果。如張衛(wèi)等人提出將TFET和浮柵器件結(jié)合起來，從而構(gòu)成了一種“半浮柵”結(jié)構(gòu)的器件，該器件被稱為“半浮柵晶體管”（Semi-Floating gate transistor，SFG），并且在2013年8 月9日發(fā)表于美國《科學(xué)》雜志上，這也是我國在《科學(xué)》上第一篇微電子器件領(lǐng)域的原創(chuàng)性成果。

目前我國在微電子核心器件及制造上缺乏核心技術(shù)，通常落后國外先進(jìn)技術(shù)1-2個技術(shù)節(jié)點。如果在基礎(chǔ)器件上有所突破，我國可大幅減少對國外技術(shù)的依賴，從而在芯片設(shè)計與制造上逐漸獲得更多話語權(quán)。為此，本文對TFET晶體管的專利技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行統(tǒng)計和分析，意圖定位我國TFET發(fā)展情況，為廣大技術(shù)人員提供參考。

截至2016年3月31日，在德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）數(shù)據(jù)庫檢索到TFET技術(shù)領(lǐng)域的專利申請共計537項，其中在中國①本文用中國指代中國大陸地區(qū)，臺灣地區(qū)指代中國臺灣地區(qū)。提交的專利申請（下稱中國申請）190項。本文在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對TFET的發(fā)展趨勢、區(qū)域分布、主要申請人幾個方面對全球和中國的專利申請布局情況和技術(shù)情況進(jìn)行分析。

1 發(fā)展趨勢分析

圖1示出了全球和中國申請量的年變化趨勢②由于部分2014-2016年的申請文件還未公開，2014-2016年的數(shù)據(jù)并不能反映當(dāng)年的真實申請量的情況，這里雖然一并作圖表示，但僅作為參考。，可以看出，中國首件申請出現(xiàn)的時間比TFET最早的專利申請時間晚了十四年，但是2008年之后，中國申請的申請趨勢與全球申請基本一致，且申請量甚至可占全球申請量的一半左右。

TFET的相關(guān)專利最早出現(xiàn)在1983年，其發(fā)展大致可以分為三個階段。從1983年到1990年可作為第一階段，屬于萌芽階段，年申請量基本小于5件，申請人主要集中在IBM和松下。從1991年到2000年為第二階段，屬于發(fā)展期，這一階段中更多的申請人投入到該項技術(shù)的研究中，但年申請量都不大，其中最主要的申請人是NEC。這一階段的申請在技術(shù)上主要集中于TFET器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計以形成更有效的隧穿效應(yīng)，同時也涉及到TFET器件在存儲器中的應(yīng)用。2001年至今可看作第三階段，屬于快速發(fā)展期。這期間，除了2007和2008年申請量有小幅下降外，年申請量一直急劇上升，年平均增長率將近20%，其中不少申請人在2001到2014年之間申請量都有爆發(fā)式增長。這一階段的專利申請從結(jié)構(gòu)、材料、制造方法幾個方面進(jìn)行多種改進(jìn)，以進(jìn)一步獲得更加陡直的亞閾值斜率，提高驅(qū)動電流，降低漏電流，提高制造工藝與CMOS工藝的兼容性。TFET器件向著替代現(xiàn)有MOS器件作為集成電路的基本單元的目標(biāo)更近了一步。

TFET相關(guān)專利申請在中國最早出現(xiàn)在1998年，從圖1的曲線可以看到，其大致可分為兩個階段。從1998年到2008年可看作第一階段，屬于萌芽期，年申請量基本維持在2件左右，申請人絕大多數(shù)為國外申請人。2009年至今可看作第二階段，屬于快速發(fā)展期，最大年增長率達(dá)53%。這一階段，多個中國申請人加入該領(lǐng)域的研究且具備了一定的研究實力。和全球申請類似，這一階段的中國申請技術(shù)上也涵蓋了結(jié)構(gòu)、材料、制造方法幾個方面。在中國的申請總量充分顯示了申請人對中國市場的重視，這也與我國近年來知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度的增大，國內(nèi)申請人知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識的增強以及中國在集成電路未來發(fā)展上的重要地位有著密切的關(guān)系。

圖1 TFET技術(shù)領(lǐng)域全球和中國專利申請量變化趨勢

2 區(qū)域分布分析

區(qū)域分析是對專利申請的區(qū)域進(jìn)行定量分析并解讀相關(guān)結(jié)論。區(qū)域分析可分為單要素分析、雙要素分析和三要素分析［3］。通過對原創(chuàng)國家/區(qū)域和目標(biāo)國家/地區(qū)的分析，了解各國家/區(qū)域的技術(shù)發(fā)展水平和專利布局情況，預(yù)期未來的國家/地區(qū)專利競爭態(tài)勢。

圖2示出了TFET專利申請在各原創(chuàng)國家和地區(qū)的申請量比例分布以及隨時間變化的趨勢。可見，美國、中國、日本、韓國和歐洲是TFET技術(shù)的主要原創(chuàng)國家/地區(qū)，其分別占申請總量的31%、27%、21%、9%和4%。排在前三位的原創(chuàng)國家/地區(qū)的原創(chuàng)申請量差距不大，并未形成國家/地區(qū)的專利技術(shù)壟斷。從申請的時間分布來看，來自日本的TFET相關(guān)專利申請最早，1990年到2000年之間，其原創(chuàng)申請量基本位于首位，1990年到1996年是其專利申請的活躍期，年申請量超過5項，2000-2010年間，申請量非常低，2010年后申請量又有回升，但年申請量已低于來自美國和中國的申請。來自美國的原創(chuàng)申請2000年之后開始呈波動式上升的趨勢，在2013年申請量達(dá)到峰值，而來自中國的原創(chuàng)申請開始于2009年，遠(yuǎn)晚于日本和美國，但申請量增長迅猛，2012年已超過美國，年申請量達(dá)到21項，位列年原創(chuàng)申請量的首位。可見，TFET專利技術(shù)位于活躍期，我國申請人雖然起步晚，但在未來的專利競爭中能夠占有一席之地。

圖2 TFET技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)＠暾堅瓌?chuàng)國家/地區(qū)分布情況

圖3示出了TFET專利申請在不同國家/地區(qū)分布情況，美國、中國、日本是最熱門的3個專利布局國家/地區(qū)，其次為韓國、歐洲、德國、和中國臺灣。其中申請量最大的美國的專利申請量是中國的將近1.6倍，是日本的將近2.1倍。在美國提出的專利申請的主要申請人為IBM、東芝、臺積電、北京大學(xué)和歐洲微電子研究中心（IMEC）；在中國提出專利申請的申請人主要為北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、中芯國際和華為；在日本提出專利申請的申請人主要為東芝、NEC、IMEC，日立和魯汶大學(xué)。各國家/地區(qū)的專利申請量在2009年前后都大幅度增加，表明TFET器件的研究和產(chǎn)業(yè)化可能出現(xiàn)了巨大的進(jìn)展。

結(jié)合圖4示出的原創(chuàng)國家/地區(qū)-目標(biāo)國家/地區(qū)分布圖可進(jìn)一步看出，各原創(chuàng)國家/地區(qū)都積極向美國進(jìn)行專利布局，在美國布局的專利申請中來自美國的申請占55%，來自日本、中國、韓國的專利申請分別占16%、12% 和7%。而在中國和日本布局的專利申請中，78%和74%為來自本國的專利申請。同時，來自美國的專利申請專利布局區(qū)域廣、數(shù)量多，除中國和日本外，在韓國、歐洲、德國和中國臺灣均有數(shù)量不等的專利布局，專利申請數(shù)量多數(shù)在20件左右；來自中國的專利申請除美國和中國外，僅1篇專利布局在德國；來自日本、韓國、歐洲的專利申請也都布局全面，但和來自美國的專利申請相比，除個別國家/地區(qū)外，專利布局?jǐn)?shù)量少，基本為個位數(shù)。

圖3 TFET技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)＠繕?biāo)國家/地區(qū)分布情況

圖4 TFET技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)＠瓌?chuàng)國家/地區(qū)-目標(biāo)國家/地區(qū)分布圖

3 申請人分析

圖5示出了TFET技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)＠暾埖纳暾埲伺琶闆r。全球?qū)＠暾埩颗琶拔宓纳暾埲朔謩e是東芝、北京大學(xué)、IBM、NEC和臺積電，申請量差距不大，分別為40項、38項、37項、31項和29項。排名前十的申請人中，中國申請人有四位，美國申請人兩位，日本申請人兩位，歐洲和中國臺灣申請人各一位，其中NEC的申請主要集中在2000年之前，2000年后已經(jīng)沒有相關(guān)申請。可見，TFET器件的研究人員主要集中在美國和中國，這不同于傳統(tǒng)集成電路產(chǎn)業(yè)中主要為美國和日本申請人的情況。排名前十的申請人中，大學(xué)和研究機構(gòu)的申請人有四位，代工企業(yè)兩位，其余則為集成電路產(chǎn)業(yè)巨頭公司。這種產(chǎn)學(xué)研同步研究的構(gòu)成情況，也體現(xiàn)了市場對TFET器件替代MOS器件的信心。圖6示出了中國專利申請的申請人排名情況。排名前十的申請人中，有5位是大學(xué)或研究機構(gòu)，且申請量排名前五的全部為國內(nèi)申請人。中國在TFET器件的研究中起步較晚，但目前投入巨大，中國在TFET器件的研究上已經(jīng)具有一定的技術(shù)和人才儲備。但中國在全球排名前十的四位申請人中，有三位是大學(xué)，僅有一家生產(chǎn)企業(yè)，可見我國的TFET技術(shù)依然以研究為主，產(chǎn)業(yè)化不足。

圖5 TFET全球申請申請人排名

圖6 中國專利申請主要申請人排名

表1 主要申請人專利布局情況（單位：項）

表1示出了主要申請人的專利布局情況。東芝、IBM和英特爾雖然在全球的申請量很大，但是在中國布局的申請僅分別是總申請量的1%、39%和14%，應(yīng)當(dāng)注意其所布局的專利是否為核心專利，對其保護(hù)范圍進(jìn)行進(jìn)一步研究。中國申請人，如北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)，提出的專利申請在美國的布局比例較高，分別為37%、32%和40%，可見我國申請人對TFET技術(shù)非常重視，同時在美國布局的申請中部分專利已經(jīng)獲得了美國授權(quán)，如北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和清華大學(xué)已獲得美國授權(quán)的專利分別至少為5項、4項和2項。

4 結(jié)語

TFET作為可能替代傳統(tǒng)晶體管的新型晶體管結(jié)構(gòu)，其研究一直受到多方關(guān)注，2008年起專利申請量快速增加，專利原創(chuàng)和布局國家/區(qū)域都集中在美國、中國和日本。全球主要申請人中大學(xué)和研究機構(gòu)與企業(yè)數(shù)量相當(dāng)，中國主要申請人以大學(xué)和研究機構(gòu)為主，研究力量不弱，專利向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化還需進(jìn)一步加強。我國在TFET研究中具有一定實力，也擁有部分知識產(chǎn)權(quán)，進(jìn)一步加強投入并向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，有可能使得TFET晶體管成為我國未來在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域打破國外的知識產(chǎn)權(quán)限制，在芯片設(shè)計與制造上逐漸獲得更多話語權(quán)的突破口。

［1］曹偉.隧穿晶體管和納米線晶體管的模型與模擬［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2011.

［2］http://www.elecfans.com/monijishu/IGBT_gonglvqijian/353543.html.

［3］顧震宇.基于案例分析的區(qū)域?qū)＠治龇椒☉?yīng)用研究［J］.情報雜志，2010，29（8）：40-44.

［4］馬永濤，張旭，傅俊英，等.核心專利及其識別方法綜述［J］.情報雜志，2014，33（5）：38-43.

Patent Application Situation Analysis in Tunnel Field Effect Transistors

Che XiaoluWu Haitao
（The Patent Office of SIPO，Beijing 100088）

This article first introduces the principle and development situation of tunnel field effect transistor（TFET），then statistically analyses patent application related to TFET which are disclosed before 31 March 2016，and provides the trend in patent technique development，area distribution and applicant distribution to help technical staff knowing the patent developing estate of FET technique.It is hoped that the article can help technical staff find a further researching direction.

TFET；trend in patent technique

TN386

A

1003-5168（2016）07-0081-04

2016-6-20

車曉璐（1982-），女，碩士研究生，審查員，研究方向：半導(dǎo)體領(lǐng)域；吳海濤（1978-），男，本科，審查員，研究方向：半導(dǎo)體領(lǐng)域，等同于第一作者。