石墨烯基场效应晶体管技术的发展及相关专利分析

朱丹丹 张燕楠 王建霞 孙健

摘要：石墨烯基场效应晶体管（GFET）技术是实现基于石墨烯的高频器件、存储器、传感器以及集成电路的基本器件结构，其在半导体电子器件领域具有广泛的应用前景。本文从专利申请的角度对GFET的发展进行了统计分析，介绍了GFET技术的国内外专利申请情况、主要技术分布和重要申请人分布，并对GFET的研究现状进行了梳理。

关键词：石墨烯;GFET;专利分析

中图分类号：TN304                    文献标识码：A                 文章编号：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，英國曼彻斯特大学两位物理学家Geim和Novoselov通过机械剥离的方式由石墨获得了一种单层片状的二维碳材料—石墨烯，激起了科学界巨大的波澜。自此，石墨烯作为一颗冉冉升起的新星成为科学界研究的热点，短短十几年间，关于石墨烯在各个领域的应用等研究成果层出不穷。

石墨烯场效应晶体管器件（GFET）是实现基于石墨烯的高频器件、存储器、传感器以及集成电路的基本器件结构，近年来引起了越来越多的关注。Geim和Novoselov在2004年第一篇石墨烯研究论文中就报道了GFET[1]。与传统的Si基场效应晶体管相比，GFET具有以下特点：（1）带隙为零，石墨烯在零电场条件下仍具有导电性，这使得GFET的电流不能关断，开关比（Ion/Ioff）很低，不利于GFET在逻辑电路中的应用;（2）由于石墨烯具有很高迁移率，故石墨烯在高频应用中比硅更具优势;（3）石墨烯具有非常大比表面积，对外界环境变化有很强灵敏度，因此，GFET在传感和探测方面具有较大应用潜力。

为进一步了解GFET的发展现状，接下来本文将采用关键词、IPC和CPC分类号相结合的方式在中国专利文摘数据库（CNABS）和德温特世界专利索引数据库（DWPI）中进行检索统计，对国内外关于GFET的专利技术进行全面分析，掌握其发展动向。最后，对GFET的研究现状进行梳理，为我国GFET领域的发展提供建议和参考。

2 GFET申请数据分析

2.1 GFET技术历年专利申请量状况分析

图1示出了关于GFET技术的国内外专利申请量的历年专利申请量的分布情况，可以看出，自2004年石墨烯技术出现后直到2007年，国内外关于GFET的专利申请量都较少，处于该技术的萌芽期，且都停留在理论阶段，可能是由于此时关于石墨烯性能和应用的研究还处于探索阶段。随着石墨烯技术的日趋成熟，其展现出了优异的机械和电学性能，业内人士开始探索石墨烯在场效应晶体管领域的应用前景，因此在2008年至2015年进入了GFET的快速发展期，在这个阶段，业内人士从石墨烯制备方法、石墨烯电学行为影响因素、晶体管制造工艺等各个方面进行了技术优化。同时可以看出2016年关于GFET技术的国内外专利申请量相对于2015年有不小幅度的下降，这可能是由于石墨烯为零的带隙使得GFET的开关比很低，限制了其在逻辑电路中的应用，这也暗示了该领域可能已进入发展的平缓期。

另外，从图1可以看出，中国专利历年申请量的趋势与国外专利申请量的发展走势基本相同。但是，我国在2007年才开始对GFET技术开展研究，相比于GFET技术的国外首次申请发生的2004年晚了三年，可见中国在GFET技术领域以及整个石墨烯技术领域都起步较晚，但是随着政府的扶持和科研院所的努力，我国在2007—2013年关于GFET技术的专利申请量持续增长，2013年中国关于GFET技术的申请量超过了全球总申请量的40%。自2016年开始国外关于GFET技术的申请量有明显的降低，但是国内的申请量还较为稳定并有小幅增长的趋势，而2018年申请量的小幅降低可能是受到专利申请18个月公开的影响，可见国内关于GFET技术的研究还处于稳定增长态势，希望国内的研究机构能够克服石墨烯技术应用于场效应晶体管领域的各种难题，做到GFET技术的全球领航者。

2.2 GFET技术国家/地区分布分析

图2示出了关于GFET技术的全球各个国家/地区申请量分布图，从图中可以看出中国和美国是该领域的申请大户，其专利申请量总和占据全球总申请量的半壁江山。韩国紧随其后，占据总申请量的20%，可见韩国作为拥有三星、乐金等半导体行业巨头的半导体强国，在石墨烯领域也投入了大量的研发精力。并且，日本、欧专局也在GFET技术领域占据一席之地，国际局的申请量占了全球总申请量的11%，这个占比相对还是比较大的，可见国内外非常重视关于GFET技术的专利布局，也从侧面证实了该技术的应用潜力。

2.3 主要申请人状况分析

2.3.1 国外专利申请主要申请人状况分析。图3给出了GFET技术领域国外专利申请中申请量排名前10位的申请人，在DWPI中检索得到的1 043篇已经公开的专利申请中，申请量排名前10位申请人所占申请量为408篇，只占申请量的约39%，可见在国外该技术领域的申请人较为分散。另外，国外申请量排名前10的申请人中有5位申请人来自韩国，其总申请量占了排名前10位的申请人申请总量的约64%，可见韩国对GFET技术领域的重视程度之高。

美国和日本是除韩国之外在GFET技术领域发展速度较快的两个国家，从图3中可以看出，美国在GFET领域的申请主要集中在IBM公司和美国海军USNA，两位主要申请人的总申请量占据排名前10位的申请人申请总量的约21%。日本在GFET领域的主要申请人为富士通公司、独立法人产业技术研究院以及日本东北大学，三位申请人的申请量均相对较小，不超过30件。

2.3.2 国内专利申请主要申请人状况分析。图4示出了GFET技术国内专利申请排名前10的主要申请人，在CNABS中检索得到的904篇已公开的专利申请中，上述10位申请人所占申请量为786篇，占据了总申请量约87%，可见我国在GFET技术领域的研究相对集中。其中，京东方科技集团的申请量稳居第一，这也与近几年柔性显示面板的大力推广和广泛发展有关。值得一提的是，国内申请量排名前10的申请人中除了几大半导体公司之外，申请人主要集中在高校和科研机构，如北京大学、西安电子科技大学、清华大学以及中科院的相关院所，其申请总和占据了排名前10位的申请人申请总量约76%，这说明国内在GFET技术领域的研究还主要局限在基础研究阶段，向产业化转变还需要一些过程。

3 GFET的研究现状

为了解石墨烯器件的技术发展演变情况以及主要技术路线，通过对专利申请进行筛选，以技术分支和专利申请公开时间为坐标，绘制出石墨烯器件的技术路线图，如图5所示。

以下，分别从射频器件、传感器、存储器、集成电路四个方面来对石墨烯器件进行研究。

3.1 基于GFET的射频（RF）器件

由于石墨烯具有优异的载流子传输特性，与基于硅半导体材料的场效应管相比，石墨烯基场效应管具有更高的饱和速率，双极场效应特性，高热导率及临界电流密度，在超高速射频器件应用领域具有很大的潜力，预计其最高截止频率将超过1THz。

2013年中国科学院上海微系统与信息技术研究所提出的中国专利申请CN102915929A提出一种石墨烯场效应器件的集成方法，通过在栅介质上集成石墨烯薄膜有效地避免栅介质材料制备工艺破坏石墨烯晶格结构，降低载流子的迁移率，同时直接在金属电极上沉积栅介质材料有利于获得质量较好的氧化铝薄膜，提高场效应器件的栅极调制能力，适用于石墨烯基高频射频器件制造领域[1]。2016年中国科学院微电子研究所提出的中国专利申请CN105224717A公开了一种石墨烯晶体管小信号模型的截止频率的计算方法，针对石墨烯有源与金属接触之间接触电容优化了小信号模型，对不同频段重新得到器件截止频率，提高了器件模型的精确度。利用该方法可以精确计算及拟合石墨烯晶体管的截止频率，对石墨烯晶体管的射频特性做出预测，适于石墨烯晶体管的高频研究[2]。

3.2 基于GFET的传感器

由于石墨烯表面吸附的气体分子（如NO2，NH3等）会改变石墨烯本身的电荷密度，从而改变石墨烯的电导率，因而，石墨烯晶体管可以用作气体分子探测器或传感器。同时，石墨烯的结构特点决定了由缺陷等因素引起的噪声在石墨烯探测器中的影响要远小于传统的气体探测器，因此，石墨烯氣体传感器有望实现单个分子精度的探测。

韩国于2011年提出的专利申请KR20110039803A公开了一种石墨烯气体传感器单元[3]，哈尔滨工业大学于2012年提出的中国专利申请CN102680527A公开了一种改性CVD石墨烯气体传感器，证明了改性后的石墨烯传感器对于氢气的响应是很灵敏的，且偏压对于氢气传感器是有影响的。

3.3 基于GFET的存储器

目前主流的非挥发存储器为Flash，为进一步延伸摩尔定律，需不断缩小尺寸，而石墨烯仅为单原子厚度，有望进一步缩小单个存储器尺寸以提升存储密度，进一步地形成石墨烯基二维超快准非易失性存储器。

2013年提出的美国专利申请US2013015429A1对石墨烯存储器中存储单元的电容对电压（C-V）特性进行了研究，当石墨烯存储层包括多个石墨烯原子层时，C-V特性显示逆时针效应，记忆效应在低电压下具有相对大的窗口，如存储器单元具有6V存储器窗口，±7V扫描，对应于1.6*10-6C/cm2的存储电荷;该专利申请还研究了存储器单元的漏电流，证实了隧道氧化层的电荷转移，同时还证明了石墨烯存储器在按比例缩小到至少5nm特征尺寸将对短沟道效应具有很强的免疫力。

3.4 基于GFET的集成电路

2007年提出的日本专利申请JP2007335532A公开了一种石墨烯集成电路及其制备方法，提供了一种集成含石墨烯的非线性元素的技术，提高了半导体的集成度。集成电路中通常含有金属，但这些金属本身可能对环境造成不良影响，2011年提出的美国专利申请US2011108802A1公开了一种无金属的石墨烯基集成电路，其采用石墨烯或碳纳米管等碳基材料晶体管栅极、沟道等，是一种对环境友好的集成电路制备工艺。

4 结语

经过十几年的不断发展，GFET技术得到了广泛的发展并已经慢慢向产业化迈进。从专利申请的角度来看，虽然国内的GFET技术起步较晚，但在近几年发展势头良好，占据了全球专利申请总量的将近1/4，但与韩国、日本、美国等半导体行业大国相比，国内关于GFET技术的研究还主要集中在科研院所的基础领域研究中。鉴于此，我国应当充分利用国际上发展石墨烯产业的经验和技术，抓住当前市场对石墨烯器件旺盛需求的有利时机，积极发展科研创新以形成自主知识产权。

参考文献：

[1] 王浩敏，谢红，等.一种石墨烯场效应器件制备方法：CN102915929A[P].2013.

[2] 汪令飞，王伟.石墨烯晶体管的小信号模型的截止频率的计算方法：CN105224717A[P].2016.

[3] 胡平安，张荣福，等.一种基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法：CN102680527A[P].2012.