隧穿场效应晶体管的专利申请态势分析

车晓璐 吴海涛

（国家知识产权局专利局，北京 100088）

隧穿场效应晶体管的专利申请态势分析

车晓璐 吴海涛

（国家知识产权局专利局，北京 100088）

本文首先介绍了隧穿场效应晶体管（TFET）的原理和发展概况，随后对2016年3月31日前已公开了TFET的相关专利申请进行统计分析，给出专利技术发展趋势、区域分布和申请人分布，帮助技术人员了解TFET技术专利发展状态，并希望对技术人员寻找进一步研究的方向提供帮助。

TFET；专利申请态势

从1965年“摩尔定律”被提出以来，集成电路的演进遵循着摩尔预言的这种指数规律。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为集成电路的基本单元其小型化已经趋于物理极限。同时，传统的CMOS工艺越来越不能满足降低功耗的需求，这主要是由于MOSFET是基于扩散漂移工作的，其工作机理导致其亚阈值摆幅的下限约为60mV/dec，且有限低的关断电流［1］。为此，需要提出新的超低功耗器件，其需要在较低的驱动电压下，保证高电流输出开关比。其中一个方向是抛弃基于扩散漂移的工作机制，引入基于新工作机制的晶体管，如TFET。

TFET是栅控反偏的PIN结器件，通过栅控PIN结实现源端载流子与沟道载流子带带隧穿，控制器件开关态转换。TFET由H.Kisaki等人在1973年提出，并由P.F. Wang等人于2004年率先应用于CMOS开发。在理论上，TFET可以实现低于60mV/dec的亚阈值摆幅，且具有关态电流小，频率特性好以及静态功耗低等优势，被看成集成电路技术未来继续按照“摩尔定律”发展的重要途径，是低功耗领域的候选器件之一。2014年东芝已开发出与CMOS工艺兼容的针对不同应用位置的三种TFET结构，并将进一步以量产为目标，计划2017年投产配备该TFET 的MCU。英特尔也将TFET作为10nm以后工艺的技术候补［2］。

我国在TFET器件的研究中也有优秀的研究成果。如张卫等人提出将TFET和浮栅器件结合起来，从而构成了一种“半浮栅”结构的器件，该器件被称为“半浮栅晶体管”（Semi-Floating gate transistor，SFG），并且在2013年8 月9日发表于美国《科学》杂志上，这也是我国在《科学》上第一篇微电子器件领域的原创性成果。

目前我国在微电子核心器件及制造上缺乏核心技术，通常落后国外先进技术1-2个技术节点。如果在基础器件上有所突破，我国可大幅减少对国外技术的依赖，从而在芯片设计与制造上逐渐获得更多话语权。为此，本文对TFET晶体管的专利技术发展情况进行统计和分析，意图定位我国TFET发展情况，为广大技术人员提供参考。

截至2016年3月31日，在德温特世界专利索引数据库（DWPI）数据库检索到TFET技术领域的专利申请共计537项，其中在中国①本文用中国指代中国大陆地区，台湾地区指代中国台湾地区。提交的专利申请（下称中国申请）190项。本文在上述数据的基础上，对TFET的发展趋势、区域分布、主要申请人几个方面对全球和中国的专利申请布局情况和技术情况进行分析。

1 发展趋势分析

图1示出了全球和中国申请量的年变化趋势②由于部分2014-2016年的申请文件还未公开，2014-2016年的数据并不能反映当年的真实申请量的情况，这里虽然一并作图表示，但仅作为参考。，可以看出，中国首件申请出现的时间比TFET最早的专利申请时间晚了十四年，但是2008年之后，中国申请的申请趋势与全球申请基本一致，且申请量甚至可占全球申请量的一半左右。

TFET的相关专利最早出现在1983年，其发展大致可以分为三个阶段。从1983年到1990年可作为第一阶段，属于萌芽阶段，年申请量基本小于5件，申请人主要集中在IBM和松下。从1991年到2000年为第二阶段，属于发展期，这一阶段中更多的申请人投入到该项技术的研究中，但年申请量都不大，其中最主要的申请人是NEC。这一阶段的申请在技术上主要集中于TFET器件的结构设计以形成更有效的隧穿效应，同时也涉及到TFET器件在存储器中的应用。2001年至今可看作第三阶段，属于快速发展期。这期间，除了2007和2008年申请量有小幅下降外，年申请量一直急剧上升，年平均增长率将近20%，其中不少申请人在2001到2014年之间申请量都有爆发式增长。这一阶段的专利申请从结构、材料、制造方法几个方面进行多种改进，以进一步获得更加陡直的亚阈值斜率，提高驱动电流，降低漏电流，提高制造工艺与CMOS工艺的兼容性。TFET器件向着替代现有MOS器件作为集成电路的基本单元的目标更近了一步。

TFET相关专利申请在中国最早出现在1998年，从图1的曲线可以看到，其大致可分为两个阶段。从1998年到2008年可看作第一阶段，属于萌芽期，年申请量基本维持在2件左右，申请人绝大多数为国外申请人。2009年至今可看作第二阶段，属于快速发展期，最大年增长率达53%。这一阶段，多个中国申请人加入该领域的研究且具备了一定的研究实力。和全球申请类似，这一阶段的中国申请技术上也涵盖了结构、材料、制造方法几个方面。在中国的申请总量充分显示了申请人对中国市场的重视，这也与我国近年来知识产权保护力度的增大，国内申请人知识产权保护意识的增强以及中国在集成电路未来发展上的重要地位有着密切的关系。

图1 TFET技术领域全球和中国专利申请量变化趋势

2 区域分布分析

区域分析是对专利申请的区域进行定量分析并解读相关结论。区域分析可分为单要素分析、双要素分析和三要素分析［3］。通过对原创国家/区域和目标国家/地区的分析，了解各国家/区域的技术发展水平和专利布局情况，预期未来的国家/地区专利竞争态势。

图2示出了TFET专利申请在各原创国家和地区的申请量比例分布以及随时间变化的趋势。可见，美国、中国、日本、韩国和欧洲是TFET技术的主要原创国家/地区，其分别占申请总量的31%、27%、21%、9%和4%。排在前三位的原创国家/地区的原创申请量差距不大，并未形成国家/地区的专利技术垄断。从申请的时间分布来看，来自日本的TFET相关专利申请最早，1990年到2000年之间，其原创申请量基本位于首位，1990年到1996年是其专利申请的活跃期，年申请量超过5项，2000-2010年间，申请量非常低，2010年后申请量又有回升，但年申请量已低于来自美国和中国的申请。来自美国的原创申请2000年之后开始呈波动式上升的趋势，在2013年申请量达到峰值，而来自中国的原创申请开始于2009年，远晚于日本和美国，但申请量增长迅猛，2012年已超过美国，年申请量达到21项，位列年原创申请量的首位。可见，TFET专利技术位于活跃期，我国申请人虽然起步晚，但在未来的专利竞争中能够占有一席之地。

图2 TFET技术领域全球专利申请原创国家/地区分布情况

图3示出了TFET专利申请在不同国家/地区分布情况，美国、中国、日本是最热门的3个专利布局国家/地区，其次为韩国、欧洲、德国、和中国台湾。其中申请量最大的美国的专利申请量是中国的将近1.6倍，是日本的将近2.1倍。在美国提出的专利申请的主要申请人为IBM、东芝、台积电、北京大学和欧洲微电子研究中心（IMEC）；在中国提出专利申请的申请人主要为北京大学、复旦大学、清华大学、中芯国际和华为；在日本提出专利申请的申请人主要为东芝、NEC、IMEC，日立和鲁汶大学。各国家/地区的专利申请量在2009年前后都大幅度增加，表明TFET器件的研究和产业化可能出现了巨大的进展。

结合图4示出的原创国家/地区-目标国家/地区分布图可进一步看出，各原创国家/地区都积极向美国进行专利布局，在美国布局的专利申请中来自美国的申请占55%，来自日本、中国、韩国的专利申请分别占16%、12% 和7%。而在中国和日本布局的专利申请中，78%和74%为来自本国的专利申请。同时，来自美国的专利申请专利布局区域广、数量多，除中国和日本外，在韩国、欧洲、德国和中国台湾均有数量不等的专利布局，专利申请数量多数在20件左右；来自中国的专利申请除美国和中国外，仅1篇专利布局在德国；来自日本、韩国、欧洲的专利申请也都布局全面，但和来自美国的专利申请相比，除个别国家/地区外，专利布局数量少，基本为个位数。

图3 TFET技术领域全球专利目标国家/地区分布情况

图4 TFET技术领域全球专利原创国家/地区-目标国家/地区分布图

3 申请人分析

图5示出了TFET技术领域全球专利申请的申请人排名情况。全球专利申请量排名前五的申请人分别是东芝、北京大学、IBM、NEC和台积电，申请量差距不大，分别为40项、38项、37项、31项和29项。排名前十的申请人中，中国申请人有四位，美国申请人两位，日本申请人两位，欧洲和中国台湾申请人各一位，其中NEC的申请主要集中在2000年之前，2000年后已经没有相关申请。可见，TFET器件的研究人员主要集中在美国和中国，这不同于传统集成电路产业中主要为美国和日本申请人的情况。排名前十的申请人中，大学和研究机构的申请人有四位，代工企业两位，其余则为集成电路产业巨头公司。这种产学研同步研究的构成情况，也体现了市场对TFET器件替代MOS器件的信心。图6示出了中国专利申请的申请人排名情况。排名前十的申请人中，有5位是大学或研究机构，且申请量排名前五的全部为国内申请人。中国在TFET器件的研究中起步较晚，但目前投入巨大，中国在TFET器件的研究上已经具有一定的技术和人才储备。但中国在全球排名前十的四位申请人中，有三位是大学，仅有一家生产企业，可见我国的TFET技术依然以研究为主，产业化不足。

图5 TFET全球申请申请人排名

图6 中国专利申请主要申请人排名

表1 主要申请人专利布局情况（单位：项）

表1示出了主要申请人的专利布局情况。东芝、IBM和英特尔虽然在全球的申请量很大，但是在中国布局的申请仅分别是总申请量的1%、39%和14%，应当注意其所布局的专利是否为核心专利，对其保护范围进行进一步研究。中国申请人，如北京大学、复旦大学、清华大学，提出的专利申请在美国的布局比例较高，分别为37%、32%和40%，可见我国申请人对TFET技术非常重视，同时在美国布局的申请中部分专利已经获得了美国授权，如北京大学、复旦大学和清华大学已获得美国授权的专利分别至少为5项、4项和2项。

4 结语

TFET作为可能替代传统晶体管的新型晶体管结构，其研究一直受到多方关注，2008年起专利申请量快速增加，专利原创和布局国家/区域都集中在美国、中国和日本。全球主要申请人中大学和研究机构与企业数量相当，中国主要申请人以大学和研究机构为主，研究力量不弱，专利向生产的转化还需进一步加强。我国在TFET研究中具有一定实力，也拥有部分知识产权，进一步加强投入并向生产转化，有可能使得TFET晶体管成为我国未来在半导体技术领域打破国外的知识产权限制，在芯片设计与制造上逐渐获得更多话语权的突破口。

［1］曹伟.隧穿晶体管和纳米线晶体管的模型与模拟［D］.上海：复旦大学，2011.

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

［3］顾震宇.基于案例分析的区域专利分析方法应用研究［J］.情报杂志，2010，29（8）：40-44.

［4］马永涛，张旭，傅俊英，等.核心专利及其识别方法综述［J］.情报杂志，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

车晓璐（1982-），女，硕士研究生，审查员，研究方向：半导体领域；吴海涛（1978-），男，本科，审查员，研究方向：半导体领域，等同于第一作者。