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隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的專(zhuān)利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分析

2016-11-16 07:13:52車(chē)曉璐吳海濤
河南科技 2016年14期
關(guān)鍵詞:申請(qǐng)量晶體管申請(qǐng)人

車(chē)曉璐 吳海濤

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局,北京 100088)

隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的專(zhuān)利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分析

車(chē)曉璐 吳海濤

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局,北京 100088)

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

TFET;專(zhuān)利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)

從1965年“摩爾定律”被提出以來(lái),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(chǎng)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(shí),傳統(tǒng)的CMOS工藝越來(lái)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(jī)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(dòng)電壓下,保證高電流輸出開(kāi)關(guān)比。其中一個(gè)方向是拋棄基于擴(kuò)散漂移的工作機(jī)制,引入基于新工作機(jī)制的晶體管,如TFET。

TFET是柵控反偏的PIN結(jié)器件,通過(guò)柵控PIN結(jié)實(shí)現(xiàn)源端載流子與溝道載流子帶帶隧穿,控制器件開(kāi)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(kāi)發(fā)。在理論上,TFET可以實(shí)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(shì),被看成集成電路技術(shù)未來(lái)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?yáng)|芝已開(kāi)發(fā)出與CMOS工藝兼容的針對(duì)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(jì)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(bǔ)[2]。

我國(guó)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(lái),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(guó)《科學(xué)》雜志上,這也是我國(guó)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(guó)在微電子核心器件及制造上缺乏核心技術(shù),通常落后國(guó)外先進(jìn)技術(shù)1-2個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)。如果在基礎(chǔ)器件上有所突破,我國(guó)可大幅減少對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴,從而在芯片設(shè)計(jì)與制造上逐漸獲得更多話語(yǔ)權(quán)。為此,本文對(duì)TFET晶體管的專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,意圖定位我國(guó)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(zhuān)利索引數(shù)據(jù)庫(kù)(DWPI)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索到TFET技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)共計(jì)537項(xiàng),其中在中國(guó)①本文用中國(guó)指代中國(guó)大陸地區(qū),臺(tái)灣地區(qū)指代中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)。提交的專(zhuān)利申請(qǐng)(下稱中國(guó)申請(qǐng))190項(xiàng)。本文在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對(duì)TFET的發(fā)展趨勢(shì)、區(qū)域分布、主要申請(qǐng)人幾個(gè)方面對(duì)全球和中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)布局情況和技術(shù)情況進(jìn)行分析。

1 發(fā)展趨勢(shì)分析

圖1示出了全球和中國(guó)申請(qǐng)量的年變化趨勢(shì)②由于部分2014-2016年的申請(qǐng)文件還未公開(kāi),2014-2016年的數(shù)據(jù)并不能反映當(dāng)年的真實(shí)申請(qǐng)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(guó)首件申請(qǐng)出現(xiàn)的時(shí)間比TFET最早的專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)間晚了十四年,但是2008年之后,中國(guó)申請(qǐng)的申請(qǐng)趨勢(shì)與全球申請(qǐng)基本一致,且申請(qǐng)量甚至可占全球申請(qǐng)量的一半左右。

TFET的相關(guān)專(zhuān)利最早出現(xiàn)在1983年,其發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段。從1983年到1990年可作為第一階段,屬于萌芽階段,年申請(qǐng)量基本小于5件,申請(qǐng)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(qǐng)人投入到該項(xiàng)技術(shù)的研究中,但年申請(qǐng)量都不大,其中最主要的申請(qǐng)人是NEC。這一階段的申請(qǐng)?jiān)诩夹g(shù)上主要集中于TFET器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以形成更有效的隧穿效應(yīng),同時(shí)也涉及到TFET器件在存儲(chǔ)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(qǐng)量有小幅下降外,年申請(qǐng)量一直急劇上升,年平均增長(zhǎng)率將近20%,其中不少申請(qǐng)人在2001到2014年之間申請(qǐng)量都有爆發(fā)式增長(zhǎng)。這一階段的專(zhuān)利申請(qǐng)從結(jié)構(gòu)、材料、制造方法幾個(gè)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(dòng)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(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)谥袊?guó)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(gè)階段。從1998年到2008年可看作第一階段,屬于萌芽期,年申請(qǐng)量基本維持在2件左右,申請(qǐng)人絕大多數(shù)為國(guó)外申請(qǐng)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(zhǎng)率達(dá)53%。這一階段,多個(gè)中國(guó)申請(qǐng)人加入該領(lǐng)域的研究且具備了一定的研究實(shí)力。和全球申請(qǐng)類(lèi)似,這一階段的中國(guó)申請(qǐng)技術(shù)上也涵蓋了結(jié)構(gòu)、材料、制造方法幾個(gè)方面。在中國(guó)的申請(qǐng)總量充分顯示了申請(qǐng)人對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的重視,這也與我國(guó)近年來(lái)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度的增大,國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)以及中國(guó)在集成電路未來(lái)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(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)

2 區(qū)域分布分析

區(qū)域分析是對(duì)專(zhuān)利申請(qǐng)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(guò)對(duì)原創(chuàng)國(guó)家/區(qū)域和目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)的分析,了解各國(guó)家/區(qū)域的技術(shù)發(fā)展水平和專(zhuān)利布局情況,預(yù)期未來(lái)的國(guó)家/地區(qū)專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。

圖2示出了TFET專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)诟髟瓌?chuàng)國(guó)家和地區(qū)的申請(qǐng)量比例分布以及隨時(shí)間變化的趨勢(shì)??梢?jiàn),美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)和歐洲是TFET技術(shù)的主要原創(chuàng)國(guó)家/地區(qū),其分別占申請(qǐng)總量的31%、27%、21%、9%和4%。排在前三位的原創(chuàng)國(guó)家/地區(qū)的原創(chuàng)申請(qǐng)量差距不大,并未形成國(guó)家/地區(qū)的專(zhuān)利技術(shù)壟斷。從申請(qǐng)的時(shí)間分布來(lái)看,來(lái)自日本的TFET相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)最早,1990年到2000年之間,其原創(chuàng)申請(qǐng)量基本位于首位,1990年到1996年是其專(zhuān)利申請(qǐng)的活躍期,年申請(qǐng)量超過(guò)5項(xiàng),2000-2010年間,申請(qǐng)量非常低,2010年后申請(qǐng)量又有回升,但年申請(qǐng)量已低于來(lái)自美國(guó)和中國(guó)的申請(qǐng)。來(lái)自美國(guó)的原創(chuàng)申請(qǐng)2000年之后開(kāi)始呈波動(dòng)式上升的趨勢(shì),在2013年申請(qǐng)量達(dá)到峰值,而來(lái)自中國(guó)的原創(chuàng)申請(qǐng)開(kāi)始于2009年,遠(yuǎn)晚于日本和美國(guó),但申請(qǐng)量增長(zhǎng)迅猛,2012年已超過(guò)美國(guó),年申請(qǐng)量達(dá)到21項(xiàng),位列年原創(chuàng)申請(qǐng)量的首位??梢?jiàn),TFET專(zhuān)利技術(shù)位于活躍期,我國(guó)申請(qǐng)人雖然起步晚,但在未來(lái)的專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng)中能夠占有一席之地。

圖2 TFET技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)@暾?qǐng)?jiān)瓌?chuàng)國(guó)家/地區(qū)分布情況

圖3示出了TFET專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)诓煌瑖?guó)家/地區(qū)分布情況,美國(guó)、中國(guó)、日本是最熱門(mén)的3個(gè)專(zhuān)利布局國(guó)家/地區(qū),其次為韓國(guó)、歐洲、德國(guó)、和中國(guó)臺(tái)灣。其中申請(qǐng)量最大的美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量是中國(guó)的將近1.6倍,是日本的將近2.1倍。在美國(guó)提出的專(zhuān)利申請(qǐng)的主要申請(qǐng)人為IBM、東芝、臺(tái)積電、北京大學(xué)和歐洲微電子研究中心(IMEC);在中國(guó)提出專(zhuān)利申請(qǐng)的申請(qǐng)人主要為北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、中芯國(guó)際和華為;在日本提出專(zhuān)利申請(qǐng)的申請(qǐng)人主要為東芝、NEC、IMEC,日立和魯汶大學(xué)。各國(guó)家/地區(qū)的專(zhuān)利申請(qǐng)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(guó)家/地區(qū)-目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)分布圖可進(jìn)一步看出,各原創(chuàng)國(guó)家/地區(qū)都積極向美國(guó)進(jìn)行專(zhuān)利布局,在美國(guó)布局的專(zhuān)利申請(qǐng)中來(lái)自美國(guó)的申請(qǐng)占55%,來(lái)自日本、中國(guó)、韓國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)分別占16%、12% 和7%。而在中國(guó)和日本布局的專(zhuān)利申請(qǐng)中,78%和74%為來(lái)自本國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)。同時(shí),來(lái)自美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)專(zhuān)利布局區(qū)域廣、數(shù)量多,除中國(guó)和日本外,在韓國(guó)、歐洲、德國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣均有數(shù)量不等的專(zhuān)利布局,專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量多數(shù)在20件左右;來(lái)自中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)除美國(guó)和中國(guó)外,僅1篇專(zhuān)利布局在德國(guó);來(lái)自日本、韓國(guó)、歐洲的專(zhuān)利申請(qǐng)也都布局全面,但和來(lái)自美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)相比,除個(gè)別國(guó)家/地區(qū)外,專(zhuān)利布局?jǐn)?shù)量少,基本為個(gè)位數(shù)。

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

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

3 申請(qǐng)人分析

圖5示出了TFET技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)@暾?qǐng)的申請(qǐng)人排名情況。全球?qū)@暾?qǐng)量排名前五的申請(qǐng)人分別是東芝、北京大學(xué)、IBM、NEC和臺(tái)積電,申請(qǐng)量差距不大,分別為40項(xiàng)、38項(xiàng)、37項(xiàng)、31項(xiàng)和29項(xiàng)。排名前十的申請(qǐng)人中,中國(guó)申請(qǐng)人有四位,美國(guó)申請(qǐng)人兩位,日本申請(qǐng)人兩位,歐洲和中國(guó)臺(tái)灣申請(qǐng)人各一位,其中NEC的申請(qǐng)主要集中在2000年之前,2000年后已經(jīng)沒(méi)有相關(guān)申請(qǐng)??梢?jiàn),TFET器件的研究人員主要集中在美國(guó)和中國(guó),這不同于傳統(tǒng)集成電路產(chǎn)業(yè)中主要為美國(guó)和日本申請(qǐng)人的情況。排名前十的申請(qǐng)人中,大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的申請(qǐng)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(chǎng)對(duì)TFET器件替代MOS器件的信心。圖6示出了中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的申請(qǐng)人排名情況。排名前十的申請(qǐng)人中,有5位是大學(xué)或研究機(jī)構(gòu),且申請(qǐng)量排名前五的全部為國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人。中國(guó)在TFET器件的研究中起步較晚,但目前投入巨大,中國(guó)在TFET器件的研究上已經(jīng)具有一定的技術(shù)和人才儲(chǔ)備。但中國(guó)在全球排名前十的四位申請(qǐng)人中,有三位是大學(xué),僅有一家生產(chǎn)企業(yè),可見(jiàn)我國(guó)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(qǐng)申請(qǐng)人排名

圖6 中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)主要申請(qǐng)人排名

表1 主要申請(qǐng)人專(zhuān)利布局情況(單位:項(xiàng))

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

4 結(jié)語(yǔ)

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(zhuān)利申請(qǐng)量快速增加,專(zhuān)利原創(chuàng)和布局國(guó)家/區(qū)域都集中在美國(guó)、中國(guó)和日本。全球主要申請(qǐng)人中大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)數(shù)量相當(dāng),中國(guó)主要申請(qǐng)人以大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)為主,研究力量不弱,專(zhuān)利向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化還需進(jìn)一步加強(qiáng)。我國(guó)在TFET研究中具有一定實(shí)力,也擁有部分知識(shí)產(chǎn)權(quán),進(jìn)一步加強(qiáng)投入并向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化,有可能使得TFET晶體管成為我國(guó)未來(lái)在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域打破國(guó)外的知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制,在芯片設(shè)計(jì)與制造上逐漸獲得更多話語(yǔ)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(bào)雜志,2010,29(8):40-44.

[4]馬永濤,張旭,傅俊英,等.核心專(zhuān)利及其識(shí)別方法綜述[J].情報(bào)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(chē)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。

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