绝缘栅FET中国专利现状分析

李海龙

摘 要：绝缘栅场效应晶体管场效应晶体三极管简称为场效应管，是一种利用外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的一种半导体器件。本文通过对我国功率MOSFET中的绝缘栅场效应晶体管领域及其下属的沟槽栅极MOSFET领域的专利申请趋势、申请人及技术分布进行了分析，为我国绝缘栅FET的发展提供参考。

关键词：绝缘栅；场效应晶体管；沟槽栅；功率器件；专利

0 引言

功率MOS场效应晶体管是在MOS集成电路工艺基础上发展起来的新的电力电子器件，在继承电路工艺基础上实现电力设备大电流高功率的要求。

绝缘栅场效应晶体管场效应晶体三极管简称为场效应管，是一种利用外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的一种半导体器件。它除了具有与晶体管相同的体积小、重量轻、寿命长等特点外，还具有输人阻抗高、噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强、工艺简单等优点，因而被广泛应用，专利申请量最多。本文选取了功率MOSFET中最热门的绝缘栅场效应晶体管的专利进行分析，同时也对功率晶体管中比较热门的沟槽栅型MOSFET进行的分析。

本文結合绝缘栅场效应晶体管领域相关的国际专利分类号H01L29/78，采用了中国专利检索系统文摘数据库（CPRSABS），对绝缘栅场效应晶体管和沟槽栅技术的中国专利申请进行了检索和分析，为对比国外数据，还在德温特数据库进行了国外申请的检索。

1 绝缘栅場效应晶体管专利现状分析

在DWPI库中对首次申请国家/地区的申请量作了统计，根据上图中的数据显示，日本、美国、韩国位居前三名，其申请量（项）分别为47630、16762和6920，中国申请量为4313项位于统计数据的第四位，中国台湾地区的申请量为549项，从以上数据可以看到日本、美国仍旧是功率器件领域的技术强国，这两个在功率器件领域的起步早，具有雄厚的技术储备，我国在功率器件领域起步较晚，但是得益于国家政策及科技专项等措施的激励，我国的在功率器件领域的申请量也在逐渐增多。

影响功率mos器件性能的因素主要有器件导通电阻、寄生电容、击穿电压以及终端保护结构。从下图中可以看出，在申请量较大的国家如日本、美国，其申请更多的关注器件导通电阻，其中日本在导通电阻方面的申请量占总申请量的48%，而在下图所展示的申请量相对较多的国家中，对于终端方面的申请并不多，其中韩国针对终端技术的申请仅占总申请的11%。

1.1 申请趋势

下图是我国在绝缘栅场效应晶体管领域的申请量趋势统计，根据统计数据来看，我国申请总体呈现上升趋势，我国首次出现绝缘栅FET的专利申请是在1986年（CN86101937），由江西大学申请，其通过设置电阻型的栅极使得器件具有不同的截止转移特性。随着绝缘栅FET的研究逐渐深入，从2000年开始，国内申请量开始出现小幅上涨的趋势，但是整体申请量不高，行业参与者仍处在研发阶段；2005年开始至2009年申请量维持在150件左右，该阶段行业技术正在稳步进行中，从2009年之后，国内专利申请量飞速上升在2012年达到最高，单年申请量达到749件，这个时期国内大量申请人涌现，如中芯国际、上海华虹宏力、中国科学院微电子所等成为国内最大申请量的申请人，从2012年开始，我国的申请量维持700件的水平，国内技术发展还具有较大潜力。

图2中的饼图反应了采用绝缘栅场效应的各种类型晶体管的占比，可看出，垂直双扩散晶体管（VDMOS）占比达到30%，可见目前垂直结构仍是主流趋势，由于近些年只能手机以及数码行业飞速发展，数码设备的显示技术越来越先进，这也使得作为液晶显示屏的重要组成元件的薄膜晶体管申请量跃居第二位，IGBT和FinFET出现时间较晚，但发展速度较快，目前占比已经达到18%、12%。

1.2 申请人分析

表1是国内（包含台湾地区）申请人，从上表可以看出，台积电的申请量排名第一位，在大陆的企业如中芯国际（上海）、华虹宏力、华虹NEC分别位列第2、4、9位，值得注意的是，在排名前10的申请人中高校和科研机构申请人占据了3个席位分别是中国科学院微电子研究所、电子科技大学、北京大学和东南大学，高校是我国科技创新的力量源泉，随着教育科研水平、科研团队力量的不断提升以及科研资源的合理分配，我国孕育的技术创新实力正在凸显。

同时，上表也反映出了一个问题，可以看出，排名前10位的企业三家位于台湾，三家位于上海，可见在区域差异现象比较严重，这一方面由于集成电路制造业的成本较高造成，另一方面也受制于地区政策的影响。

1.3 申请类型分析

图3是申请类型的排布，由于实用新型的审查周期短，因此对于期望尽快获得专利权的申请人来说，申请实用新型可以更早地对其技术进行保护，但是，由于实用新型的保护周期相对较短（实用新型10年，发明专利20年），专利权并不稳定，因此申请量比较小，从上图还可以发现通过PCT条约进入我国的申请也占据了总申请的19%，说明国外企业已经注意到其相关专利在我国的保护，另一方面来看，我国的相关技术已经得到十足的发展，吸引到了国际上的注意。

2 沟槽栅领域专利申请分析

MOSFET主要分为了平面型和垂直型两种，前者为传统MOSFET结构，属于早期应用较多的MOS结构，但是此类器件由于占用芯片面积比较大不利于芯片尺寸的缩小，造成芯片利用率低的问题，随后就出现了垂直型的MOSFET器件，其通过将器件的漏极形成在了器件的另一侧，使得载流子垂直于器件表面迁移，这样就大大提高了芯片表面的利用率。

在传统垂直型MOS器件中，器件处于导通状态时，在器件内部的导通电阻由以下6部分组成：源区电阻Rs，沟槽电阻Rch，外延层电阻Repi，积累层电阻Ra，脖颈区电阻Rjfet，衬底电阻Rsub，在器件导通时，电流流经器件内部，由于以上电阻的存在，器件内部会产生功率耗散，这一部分功率并不被外部电路所使用，因此为了提高器件的功率特性，必须降低器件内部电阻。

在1985年D.Ueda等人提出了沟槽栅MOS结构。采用U型沟槽结构使导电沟道由横向变为纵向，这样就消除了JFET颈区电阻，大大增加了原胞密度，提高了电流处理的能力。

表2是我国（申请人所在地为中国）申请人在沟槽栅领域的申请排名，可见在沟槽栅领域主要为企业申请，华虹宏力以94件的申请量位居所有申请人的第一位，台积电在该领域并不活跃，申请量仅位于第7位，高校和科研机构中仅有中科院微电子所申请量较多，以47件位于第三位。

上图中柱形条为国内（包含台湾地区）申请人的申请趋势，我国于2005年开始针对沟槽栅极领域进行专利申请。持续到2008年，总体申请量维持在10件左右，这段时间沟槽栅领域的技术仍处在摸索阶段。而在2008年之后至2012年，我国申请人申请量出现明显增长，中国科学院微电子所在2012年单年申请量达到26件，超过国内申请量最大的上海华虹宏力半导体制造有限公司（23件），在2012年之后，国内申请出现了一定幅度的下降，2013～2014年两年申请量维持在90以上，这两年申请量排名前两位的申请人是上海华虹宏力和中芯国际，到2015年出现了较大的下滑，该年中芯国际与中科院均未申请，因而造成了比较大幅度的下降。

3 结语

从以上分析来看，我国功率晶体管领域起步稍晚，申请量与发达国家相比还有一定差距，从国内申请来看，目前我国功率晶体管领域创新主体仍为企业申请人，此类申请人多为晶圆代工企业，我国的绝缘栅场效应晶体管的研究起步虽然较晚，但是可以紧跟行业发展。我国应当更进一步推动产业与科研的紧密结合，提高在绝缘栅场效应管领域的研发能力，占据国际竞争的有利地位。

参考文献

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（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心）