石墨烯基場效應晶體管技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)專利分析

朱丹丹 張燕楠 王建霞 孫健

摘要：石墨烯基場效應晶體管（GFET）技術(shù)是實現(xiàn)基于石墨烯的高頻器件、存儲器、傳感器以及集成電路的基本器件結(jié)構(gòu)，其在半導體電子器件領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。本文從專利申請的角度對GFET的發(fā)展進行了統(tǒng)計分析，介紹了GFET技術(shù)的國內(nèi)外專利申請情況、主要技術(shù)分布和重要申請人分布，并對GFET的研究現(xiàn)狀進行了梳理。

關(guān)鍵詞：石墨烯;GFET;專利分析

中圖分類號：TN304 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2019）36-0060-05

Abstract： Graphene based field effect transistor （GFET） is the basic device structure ?of high frequency devices， memories， sensors and integrated circuits which based on graphene. It has a wide application prospect in the field of semiconductor electronic devices. This paper makes a statistical analysis of the development of GFET from the perspective of patent application， introduces the domestic and foreign patent application， technology distribution and important applicant distribution of GFET technology， and untangles the research status of GFET.

key words： graphene;GFET;analysis of patent

1 引言

2004年，英國曼徹斯特大學兩位物理學家Geim和Novoselov通過機械剝離的方式由石墨獲得了一種單層片狀的二維碳材料—石墨烯，激起了科學界巨大的波瀾。自此，石墨烯作為一顆冉冉升起的新星成為科學界研究的熱點，短短十幾年間，關(guān)于石墨烯在各個領(lǐng)域的應用等研究成果層出不窮。

石墨烯場效應晶體管器件（GFET）是實現(xiàn)基于石墨烯的高頻器件、存儲器、傳感器以及集成電路的基本器件結(jié)構(gòu)，近年來引起了越來越多的關(guān)注。Geim和Novoselov在2004年第一篇石墨烯研究論文中就報道了GFET[1]。與傳統(tǒng)的Si基場效應晶體管相比，GFET具有以下特點：（1）帶隙為零，石墨烯在零電場條件下仍具有導電性，這使得GFET的電流不能關(guān)斷，開關(guān)比（Ion/Ioff）很低，不利于GFET在邏輯電路中的應用;（2）由于石墨烯具有很高遷移率，故石墨烯在高頻應用中比硅更具優(yōu)勢;（3）石墨烯具有非常大比表面積，對外界環(huán)境變化有很強靈敏度，因此，GFET在傳感和探測方面具有較大應用潛力。

為進一步了解GFET的發(fā)展現(xiàn)狀，接下來本文將采用關(guān)鍵詞、IPC和CPC分類號相結(jié)合的方式在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）和德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）中進行檢索統(tǒng)計，對國內(nèi)外關(guān)于GFET的專利技術(shù)進行全面分析，掌握其發(fā)展動向。最后，對GFET的研究現(xiàn)狀進行梳理，為我國GFET領(lǐng)域的發(fā)展提供建議和參考。

2 GFET申請數(shù)據(jù)分析

2.1 GFET技術(shù)歷年專利申請量狀況分析

圖1示出了關(guān)于GFET技術(shù)的國內(nèi)外專利申請量的歷年專利申請量的分布情況，可以看出，自2004年石墨烯技術(shù)出現(xiàn)后直到2007年，國內(nèi)外關(guān)于GFET的專利申請量都較少，處于該技術(shù)的萌芽期，且都停留在理論階段，可能是由于此時關(guān)于石墨烯性能和應用的研究還處于探索階段。隨著石墨烯技術(shù)的日趨成熟，其展現(xiàn)出了優(yōu)異的機械和電學性能，業(yè)內(nèi)人士開始探索石墨烯在場效應晶體管領(lǐng)域的應用前景，因此在2008年至2015年進入了GFET的快速發(fā)展期，在這個階段，業(yè)內(nèi)人士從石墨烯制備方法、石墨烯電學行為影響因素、晶體管制造工藝等各個方面進行了技術(shù)優(yōu)化。同時可以看出2016年關(guān)于GFET技術(shù)的國內(nèi)外專利申請量相對于2015年有不小幅度的下降，這可能是由于石墨烯為零的帶隙使得GFET的開關(guān)比很低，限制了其在邏輯電路中的應用，這也暗示了該領(lǐng)域可能已進入發(fā)展的平緩期。

另外，從圖1可以看出，中國專利歷年申請量的趨勢與國外專利申請量的發(fā)展走勢基本相同。但是，我國在2007年才開始對GFET技術(shù)開展研究，相比于GFET技術(shù)的國外首次申請發(fā)生的2004年晚了三年，可見中國在GFET技術(shù)領(lǐng)域以及整個石墨烯技術(shù)領(lǐng)域都起步較晚，但是隨著政府的扶持和科研院所的努力，我國在2007—2013年關(guān)于GFET技術(shù)的專利申請量持續(xù)增長，2013年中國關(guān)于GFET技術(shù)的申請量超過了全球總申請量的40%。自2016年開始國外關(guān)于GFET技術(shù)的申請量有明顯的降低，但是國內(nèi)的申請量還較為穩(wěn)定并有小幅增長的趨勢，而2018年申請量的小幅降低可能是受到專利申請18個月公開的影響，可見國內(nèi)關(guān)于GFET技術(shù)的研究還處于穩(wěn)定增長態(tài)勢，希望國內(nèi)的研究機構(gòu)能夠克服石墨烯技術(shù)應用于場效應晶體管領(lǐng)域的各種難題，做到GFET技術(shù)的全球領(lǐng)航者。

2.2 GFET技術(shù)國家/地區(qū)分布分析

圖2示出了關(guān)于GFET技術(shù)的全球各個國家/地區(qū)申請量分布圖，從圖中可以看出中國和美國是該領(lǐng)域的申請大戶，其專利申請量總和占據(jù)全球總申請量的半壁江山。韓國緊隨其后，占據(jù)總申請量的20%，可見韓國作為擁有三星、樂金等半導體行業(yè)巨頭的半導體強國，在石墨烯領(lǐng)域也投入了大量的研發(fā)精力。并且，日本、歐專局也在GFET技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)一席之地，國際局的申請量占了全球總申請量的11%，這個占比相對還是比較大的，可見國內(nèi)外非常重視關(guān)于GFET技術(shù)的專利布局，也從側(cè)面證實了該技術(shù)的應用潛力。

2.3 主要申請人狀況分析

2.3.1 國外專利申請主要申請人狀況分析。圖3給出了GFET技術(shù)領(lǐng)域國外專利申請中申請量排名前10位的申請人，在DWPI中檢索得到的1 043篇已經(jīng)公開的專利申請中，申請量排名前10位申請人所占申請量為408篇，只占申請量的約39%，可見在國外該技術(shù)領(lǐng)域的申請人較為分散。另外，國外申請量排名前10的申請人中有5位申請人來自韓國，其總申請量占了排名前10位的申請人申請總量的約64%，可見韓國對GFET技術(shù)領(lǐng)域的重視程度之高。

美國和日本是除韓國之外在GFET技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展速度較快的兩個國家，從圖3中可以看出，美國在GFET領(lǐng)域的申請主要集中在IBM公司和美國海軍USNA，兩位主要申請人的總申請量占據(jù)排名前10位的申請人申請總量的約21%。日本在GFET領(lǐng)域的主要申請人為富士通公司、獨立法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院以及日本東北大學，三位申請人的申請量均相對較小，不超過30件。

2.3.2 國內(nèi)專利申請主要申請人狀況分析。圖4示出了GFET技術(shù)國內(nèi)專利申請排名前10的主要申請人，在CNABS中檢索得到的904篇已公開的專利申請中，上述10位申請人所占申請量為786篇，占據(jù)了總申請量約87%，可見我國在GFET技術(shù)領(lǐng)域的研究相對集中。其中，京東方科技集團的申請量穩(wěn)居第一，這也與近幾年柔性顯示面板的大力推廣和廣泛發(fā)展有關(guān)。值得一提的是，國內(nèi)申請量排名前10的申請人中除了幾大半導體公司之外，申請人主要集中在高校和科研機構(gòu)，如北京大學、西安電子科技大學、清華大學以及中科院的相關(guān)院所，其申請總和占據(jù)了排名前10位的申請人申請總量約76%，這說明國內(nèi)在GFET技術(shù)領(lǐng)域的研究還主要局限在基礎(chǔ)研究階段，向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變還需要一些過程。

3 GFET的研究現(xiàn)狀

為了解石墨烯器件的技術(shù)發(fā)展演變情況以及主要技術(shù)路線，通過對專利申請進行篩選，以技術(shù)分支和專利申請公開時間為坐標，繪制出石墨烯器件的技術(shù)路線圖，如圖5所示。

以下，分別從射頻器件、傳感器、存儲器、集成電路四個方面來對石墨烯器件進行研究。

3.1 基于GFET的射頻（RF）器件

由于石墨烯具有優(yōu)異的載流子傳輸特性，與基于硅半導體材料的場效應管相比，石墨烯基場效應管具有更高的飽和速率，雙極場效應特性，高熱導率及臨界電流密度，在超高速射頻器件應用領(lǐng)域具有很大的潛力，預計其最高截止頻率將超過1THz。

2013年中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所提出的中國專利申請CN102915929A提出一種石墨烯場效應器件的集成方法，通過在柵介質(zhì)上集成石墨烯薄膜有效地避免柵介質(zhì)材料制備工藝破壞石墨烯晶格結(jié)構(gòu)，降低載流子的遷移率，同時直接在金屬電極上沉積柵介質(zhì)材料有利于獲得質(zhì)量較好的氧化鋁薄膜，提高場效應器件的柵極調(diào)制能力，適用于石墨烯基高頻射頻器件制造領(lǐng)域[1]。2016年中國科學院微電子研究所提出的中國專利申請CN105224717A公開了一種石墨烯晶體管小信號模型的截止頻率的計算方法，針對石墨烯有源與金屬接觸之間接觸電容優(yōu)化了小信號模型，對不同頻段重新得到器件截止頻率，提高了器件模型的精確度。利用該方法可以精確計算及擬合石墨烯晶體管的截止頻率，對石墨烯晶體管的射頻特性做出預測，適于石墨烯晶體管的高頻研究[2]。

3.2 基于GFET的傳感器

由于石墨烯表面吸附的氣體分子（如NO2，NH3等）會改變石墨烯本身的電荷密度，從而改變石墨烯的電導率，因而，石墨烯晶體管可以用作氣體分子探測器或傳感器。同時，石墨烯的結(jié)構(gòu)特點決定了由缺陷等因素引起的噪聲在石墨烯探測器中的影響要遠小于傳統(tǒng)的氣體探測器，因此，石墨烯氣體傳感器有望實現(xiàn)單個分子精度的探測。

韓國于2011年提出的專利申請KR20110039803A公開了一種石墨烯氣體傳感器單元[3]，哈爾濱工業(yè)大學于2012年提出的中國專利申請CN102680527A公開了一種改性CVD石墨烯氣體傳感器，證明了改性后的石墨烯傳感器對于氫氣的響應是很靈敏的，且偏壓對于氫氣傳感器是有影響的。

3.3 基于GFET的存儲器

目前主流的非揮發(fā)存儲器為Flash，為進一步延伸摩爾定律，需不斷縮小尺寸，而石墨烯僅為單原子厚度，有望進一步縮小單個存儲器尺寸以提升存儲密度，進一步地形成石墨烯基二維超快準非易失性存儲器。

2013年提出的美國專利申請US2013015429A1對石墨烯存儲器中存儲單元的電容對電壓（C-V）特性進行了研究，當石墨烯存儲層包括多個石墨烯原子層時，C-V特性顯示逆時針效應，記憶效應在低電壓下具有相對大的窗口，如存儲器單元具有6V存儲器窗口，±7V掃描，對應于1.6*10-6C/cm2的存儲電荷;該專利申請還研究了存儲器單元的漏電流，證實了隧道氧化層的電荷轉(zhuǎn)移，同時還證明了石墨烯存儲器在按比例縮小到至少5nm特征尺寸將對短溝道效應具有很強的免疫力。

3.4 基于GFET的集成電路

2007年提出的日本專利申請JP2007335532A公開了一種石墨烯集成電路及其制備方法，提供了一種集成含石墨烯的非線性元素的技術(shù)，提高了半導體的集成度。集成電路中通常含有金屬，但這些金屬本身可能對環(huán)境造成不良影響，2011年提出的美國專利申請US2011108802A1公開了一種無金屬的石墨烯基集成電路，其采用石墨烯或碳納米管等碳基材料晶體管柵極、溝道等，是一種對環(huán)境友好的集成電路制備工藝。

4 結(jié)語

經(jīng)過十幾年的不斷發(fā)展，GFET技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展并已經(jīng)慢慢向產(chǎn)業(yè)化邁進。從專利申請的角度來看，雖然國內(nèi)的GFET技術(shù)起步較晚，但在近幾年發(fā)展勢頭良好，占據(jù)了全球?qū)＠暾埧偭康膶⒔?/4，但與韓國、日本、美國等半導體行業(yè)大國相比，國內(nèi)關(guān)于GFET技術(shù)的研究還主要集中在科研院所的基礎(chǔ)領(lǐng)域研究中。鑒于此，我國應當充分利用國際上發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗和技術(shù)，抓住當前市場對石墨烯器件旺盛需求的有利時機，積極發(fā)展科研創(chuàng)新以形成自主知識產(chǎn)權(quán)。

參考文獻：

[1] 王浩敏，謝紅，等.一種石墨烯場效應器件制備方法：CN102915929A[P].2013.

[2] 汪令飛，王偉.石墨烯晶體管的小信號模型的截止頻率的計算方法：CN105224717A[P].2016.

[3] 胡平安，張榮福，等.一種基于納米軟印刷技術(shù)批量制備石墨烯氣體傳感器的方法：CN102680527A[P].2012.