絕緣柵FET中國專利現(xiàn)狀分析

李海龍

摘 要：絕緣柵場效應晶體管場效應晶體三極管簡稱為場效應管，是一種利用外加電壓產(chǎn)生的電場強度來控制其導電能力的一種半導體器件。本文通過對我國功率MOSFET中的絕緣柵場效應晶體管領(lǐng)域及其下屬的溝槽柵極MOSFET領(lǐng)域的專利申請趨勢、申請人及技術(shù)分布進行了分析，為我國絕緣柵FET的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：絕緣柵；場效應晶體管；溝槽柵；功率器件；專利

0 引言

功率MOS場效應晶體管是在MOS集成電路工藝基礎上發(fā)展起來的新的電力電子器件，在繼承電路工藝基礎上實現(xiàn)電力設備大電流高功率的要求。

絕緣柵場效應晶體管場效應晶體三極管簡稱為場效應管，是一種利用外加電壓產(chǎn)生的電場強度來控制其導電能力的一種半導體器件。它除了具有與晶體管相同的體積小、重量輕、壽命長等特點外，還具有輸人阻抗高、噪聲低、溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、工藝簡單等優(yōu)點，因而被廣泛應用，專利申請量最多。本文選取了功率MOSFET中最熱門的絕緣柵場效應晶體管的專利進行分析，同時也對功率晶體管中比較熱門的溝槽柵型MOSFET進行的分析。

本文結(jié)合絕緣柵場效應晶體管領(lǐng)域相關(guān)的國際專利分類號H01L29/78，采用了中國專利檢索系統(tǒng)文摘數(shù)據(jù)庫（CPRSABS），對絕緣柵場效應晶體管和溝槽柵技術(shù)的中國專利申請進行了檢索和分析，為對比國外數(shù)據(jù)，還在德溫特數(shù)據(jù)庫進行了國外申請的檢索。

1 絕緣柵場效應晶體管專利現(xiàn)狀分析

在DWPI庫中對首次申請國家/地區(qū)的申請量作了統(tǒng)計，根據(jù)上圖中的數(shù)據(jù)顯示，日本、美國、韓國位居前三名，其申請量（項）分別為47630、16762和6920，中國申請量為4313項位于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的第四位，中國臺灣地區(qū)的申請量為549項，從以上數(shù)據(jù)可以看到日本、美國仍舊是功率器件領(lǐng)域的技術(shù)強國，這兩個在功率器件領(lǐng)域的起步早，具有雄厚的技術(shù)儲備，我國在功率器件領(lǐng)域起步較晚，但是得益于國家政策及科技專項等措施的激勵，我國的在功率器件領(lǐng)域的申請量也在逐漸增多。

影響功率mos器件性能的因素主要有器件導通電阻、寄生電容、擊穿電壓以及終端保護結(jié)構(gòu)。從下圖中可以看出，在申請量較大的國家如日本、美國，其申請更多的關(guān)注器件導通電阻，其中日本在導通電阻方面的申請量占總申請量的48%，而在下圖所展示的申請量相對較多的國家中，對于終端方面的申請并不多，其中韓國針對終端技術(shù)的申請僅占總申請的11%。

1.1 申請趨勢

下圖是我國在絕緣柵場效應晶體管領(lǐng)域的申請量趨勢統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，我國申請總體呈現(xiàn)上升趨勢，我國首次出現(xiàn)絕緣柵FET的專利申請是在1986年（CN86101937），由江西大學申請，其通過設置電阻型的柵極使得器件具有不同的截止轉(zhuǎn)移特性。隨著絕緣柵FET的研究逐漸深入，從2000年開始，國內(nèi)申請量開始出現(xiàn)小幅上漲的趨勢，但是整體申請量不高，行業(yè)參與者仍處在研發(fā)階段；2005年開始至2009年申請量維持在150件左右，該階段行業(yè)技術(shù)正在穩(wěn)步進行中，從2009年之后，國內(nèi)專利申請量飛速上升在2012年達到最高，單年申請量達到749件，這個時期國內(nèi)大量申請人涌現(xiàn)，如中芯國際、上海華虹宏力、中國科學院微電子所等成為國內(nèi)最大申請量的申請人，從2012年開始，我國的申請量維持700件的水平，國內(nèi)技術(shù)發(fā)展還具有較大潛力。

圖2中的餅圖反應了采用絕緣柵場效應的各種類型晶體管的占比，可看出，垂直雙擴散晶體管（VDMOS）占比達到30%，可見目前垂直結(jié)構(gòu)仍是主流趨勢，由于近些年只能手機以及數(shù)碼行業(yè)飛速發(fā)展，數(shù)碼設備的顯示技術(shù)越來越先進，這也使得作為液晶顯示屏的重要組成元件的薄膜晶體管申請量躍居第二位，IGBT和FinFET出現(xiàn)時間較晚，但發(fā)展速度較快，目前占比已經(jīng)達到18%、12%。

1.2 申請人分析

表1是國內(nèi)（包含臺灣地區(qū)）申請人，從上表可以看出，臺積電的申請量排名第一位，在大陸的企業(yè)如中芯國際（上海）、華虹宏力、華虹NEC分別位列第2、4、9位，值得注意的是，在排名前10的申請人中高校和科研機構(gòu)申請人占據(jù)了3個席位分別是中國科學院微電子研究所、電子科技大學、北京大學和東南大學，高校是我國科技創(chuàng)新的力量源泉，隨著教育科研水平、科研團隊力量的不斷提升以及科研資源的合理分配，我國孕育的技術(shù)創(chuàng)新實力正在凸顯。

同時，上表也反映出了一個問題，可以看出，排名前10位的企業(yè)三家位于臺灣，三家位于上海，可見在區(qū)域差異現(xiàn)象比較嚴重，這一方面由于集成電路制造業(yè)的成本較高造成，另一方面也受制于地區(qū)政策的影響。

1.3 申請類型分析

圖3是申請類型的排布，由于實用新型的審查周期短，因此對于期望盡快獲得專利權(quán)的申請人來說，申請實用新型可以更早地對其技術(shù)進行保護，但是，由于實用新型的保護周期相對較短（實用新型10年，發(fā)明專利20年），專利權(quán)并不穩(wěn)定，因此申請量比較小，從上圖還可以發(fā)現(xiàn)通過PCT條約進入我國的申請也占據(jù)了總申請的19%，說明國外企業(yè)已經(jīng)注意到其相關(guān)專利在我國的保護，另一方面來看，我國的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)得到十足的發(fā)展，吸引到了國際上的注意。

2 溝槽柵領(lǐng)域?qū)＠暾埛治?/p>

MOSFET主要分為了平面型和垂直型兩種，前者為傳統(tǒng)MOSFET結(jié)構(gòu)，屬于早期應用較多的MOS結(jié)構(gòu)，但是此類器件由于占用芯片面積比較大不利于芯片尺寸的縮小，造成芯片利用率低的問題，隨后就出現(xiàn)了垂直型的MOSFET器件，其通過將器件的漏極形成在了器件的另一側(cè)，使得載流子垂直于器件表面遷移，這樣就大大提高了芯片表面的利用率。

在傳統(tǒng)垂直型MOS器件中，器件處于導通狀態(tài)時，在器件內(nèi)部的導通電阻由以下6部分組成：源區(qū)電阻Rs，溝槽電阻Rch，外延層電阻Repi，積累層電阻Ra，脖頸區(qū)電阻Rjfet，襯底電阻Rsub，在器件導通時，電流流經(jīng)器件內(nèi)部，由于以上電阻的存在，器件內(nèi)部會產(chǎn)生功率耗散，這一部分功率并不被外部電路所使用，因此為了提高器件的功率特性，必須降低器件內(nèi)部電阻。

在1985年D.Ueda等人提出了溝槽柵MOS結(jié)構(gòu)。采用U型溝槽結(jié)構(gòu)使導電溝道由橫向變?yōu)榭v向，這樣就消除了JFET頸區(qū)電阻，大大增加了原胞密度，提高了電流處理的能力。

表2是我國（申請人所在地為中國）申請人在溝槽柵領(lǐng)域的申請排名，可見在溝槽柵領(lǐng)域主要為企業(yè)申請，華虹宏力以94件的申請量位居所有申請人的第一位，臺積電在該領(lǐng)域并不活躍，申請量僅位于第7位，高校和科研機構(gòu)中僅有中科院微電子所申請量較多，以47件位于第三位。

上圖中柱形條為國內(nèi)（包含臺灣地區(qū)）申請人的申請趨勢，我國于2005年開始針對溝槽柵極領(lǐng)域進行專利申請。持續(xù)到2008年，總體申請量維持在10件左右，這段時間溝槽柵領(lǐng)域的技術(shù)仍處在摸索階段。而在2008年之后至2012年，我國申請人申請量出現(xiàn)明顯增長，中國科學院微電子所在2012年單年申請量達到26件，超過國內(nèi)申請量最大的上海華虹宏力半導體制造有限公司（23件），在2012年之后，國內(nèi)申請出現(xiàn)了一定幅度的下降，2013～2014年兩年申請量維持在90以上，這兩年申請量排名前兩位的申請人是上海華虹宏力和中芯國際，到2015年出現(xiàn)了較大的下滑，該年中芯國際與中科院均未申請，因而造成了比較大幅度的下降。

3 結(jié)語

從以上分析來看，我國功率晶體管領(lǐng)域起步稍晚，申請量與發(fā)達國家相比還有一定差距，從國內(nèi)申請來看，目前我國功率晶體管領(lǐng)域創(chuàng)新主體仍為企業(yè)申請人，此類申請人多為晶圓代工企業(yè)，我國的絕緣柵場效應晶體管的研究起步雖然較晚，但是可以緊跟行業(yè)發(fā)展。我國應當更進一步推動產(chǎn)業(yè)與科研的緊密結(jié)合，提高在絕緣柵場效應管領(lǐng)域的研發(fā)能力，占據(jù)國際競爭的有利地位。

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（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心）