薄膜晶體管的專利研究進(jìn)展分析

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心 張雄娥

薄膜晶體管的專利研究已然成為全球研究熱點(diǎn)，本文針對(duì)薄膜晶體管，開展關(guān)于薄膜晶體管的全球?qū)＠夹g(shù)申請(qǐng)相關(guān)情況分析，主要涉及專利申請(qǐng)量布局、申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)分析以及專利申請(qǐng)的地區(qū)分布。

隨著顯示器件的不斷發(fā)展，薄膜晶體管(TFT)作為顯示器元件的陣列基板開關(guān)元件起到陣列驅(qū)動(dòng)的作用，并且在平板顯示技術(shù)的應(yīng)用中尤為突出，薄膜晶體管已然成為微電子技術(shù)特別是顯示技術(shù)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，起到核心作用的薄膜晶體管的研究?jī)叭灰殉蔀槿驅(qū)＠夹g(shù)研究熱點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)目前顯示領(lǐng)域的小型化、高性能以及低制備成本等市場(chǎng)需求以及其他各種應(yīng)用需求，薄膜晶體管器件技術(shù)的研究不僅包括薄膜晶體管器件結(jié)構(gòu)的研究，還進(jìn)一步包括在薄膜晶體管的有源層的相關(guān)研究以及對(duì)薄膜晶體管器件的形成工藝的研究。薄膜晶體管的全球?qū)＠暾?qǐng)情況可以反映出世界薄膜晶體管創(chuàng)新技術(shù)的研究趨勢(shì)，更能反映出世界各國在薄膜晶體管創(chuàng)新技術(shù)的世界競(jìng)爭(zhēng)力。

1 TFT簡(jiǎn)介

1.1 TFT的工作原理

薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）作為一種絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是由柵電極、源電極和漏電極所共同構(gòu)成的三端子控制元件，主要包括基板、有源區(qū)溝道層、柵極絕緣層、柵電極和源漏電極等幾個(gè)重要的組成部分，其中有源區(qū)溝道層的性能與制作工藝對(duì)薄膜晶體管的性能有至關(guān)重要的決定性影響。薄膜晶體管根據(jù)溝道載流子類型構(gòu)成分為N型薄膜晶體管和P型薄膜晶體管。其工作原理如以N型薄膜晶體管為例主要為，首先向柵電極施加正向電壓，由此產(chǎn)生電場(chǎng)使得半導(dǎo)體有源層表面形成反型層；然后向源漏電極間加電壓，此時(shí)載流子通過溝道實(shí)現(xiàn)電流在源電極到漏電極之間流動(dòng)，使得薄膜晶體管實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通；直到當(dāng)源漏電極間的電壓增到一定程度后，漏電極端反型層厚度逐漸減為零，根據(jù)電壓的不斷增加，薄膜晶體管器件進(jìn)入飽和區(qū)；若漏電極未施加電壓時(shí)，薄膜晶體管溝道則不導(dǎo)通。

1.2 TFT的分類

根據(jù)載流子在溝道中的流通方向不同，分為平面型薄膜晶體管和垂直型薄膜晶體管。在結(jié)構(gòu)上平面型薄膜晶體管的源電極和漏電極分別位于半導(dǎo)體有源層的橫向兩側(cè)，形成橫向溝道區(qū)，使得薄膜晶體管的載流子在源電極和漏電極之間的溝道區(qū)橫向流動(dòng)。而垂直型薄膜晶體管則是源電極和漏電極位于半導(dǎo)體有源層的上下兩側(cè)，形成縱向溝道區(qū)，使得薄膜晶體管的載流子在源電極和漏電極之間的溝道區(qū)實(shí)現(xiàn)縱向流動(dòng)。

根據(jù)柵極的排布位置不同，分為底柵型薄膜晶體管和頂柵型薄膜晶體管。底柵型薄膜晶體管的主要結(jié)構(gòu)為：由下至上依次包括襯底基板、柵極、柵極絕緣層、半導(dǎo)體有源層和源漏電極層；頂柵型薄膜晶體管的主要結(jié)構(gòu)為：由下至上依次包括襯底基板、半導(dǎo)體有源層、源漏電極層、柵極絕緣層和柵極，另外，無論是底柵型薄膜晶體管還是頂柵型薄膜晶體管，都可包括位于頂層的鈍化層，用以保護(hù)薄膜晶體管器件免受環(huán)境水汽、氧等的影響。

根據(jù)半導(dǎo)體有源層的材料不同，分為硅晶體管和非硅晶體管，其中硅晶體管主要分為非晶硅和多晶硅晶體管；而非硅晶體管則主要分為金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管和其他化合物半導(dǎo)體薄膜晶體管。由于非晶硅薄膜晶體管的漏電流較小，因此早期的液晶顯示技術(shù)大多采用非晶硅薄膜晶體管，但是非晶硅薄膜晶體管普遍存在載流子遷移率低下的問題，這極大的影響了顯示技術(shù)的發(fā)展。因此在載流子遷移率高要求的發(fā)展趨勢(shì)，目前具有高載流子遷移率的多晶硅薄膜晶體管和金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管已成為顯示技術(shù)的研究熱點(diǎn)，并且被廣泛的應(yīng)用于顯示裝置中。

1.3 TFT的應(yīng)用

薄膜晶體管形成的陣列基板是顯示裝置的關(guān)鍵部件，薄膜陣列基板向顯示裝置提供驅(qū)動(dòng)電路及開關(guān)電路等，而其中薄膜晶體管是陣列基板中至關(guān)重要的元件，因此薄膜晶體管被廣泛使用在平板顯示領(lǐng)域，用作顯示面板中的開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)器件，是顯示面板的重要組成部分。

由于薄膜晶體管具有集成度高、多功能、低成本以及工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)，在柔性便攜式設(shè)備方面薄膜晶體管有著很好的應(yīng)用前景，研究主要針對(duì)柔性顯示，便攜式電子器件等領(lǐng)域展開。另外，在傳感器等生物醫(yī)療設(shè)備上薄膜晶體管正出現(xiàn)大量的研究。

2 TFT的專利研究分析

2.1 TFT全球申請(qǐng)情況

圖1展示的是TFT近十年的全球?qū)＠暾?qǐng)量和公開量的發(fā)展趨勢(shì)。如下圖表可以看出，從2010-2019年間對(duì)TFT的專利申請(qǐng)量和公開量的數(shù)量都不低且發(fā)展趨勢(shì)平穩(wěn)，說明近十年全球TFT的專利研究始終保持較高熱度。由此也可以看到TFT對(duì)現(xiàn)代科技發(fā)展的重要性，為搶占TFT的相關(guān)技術(shù)專利，全球掀起TFT專利申請(qǐng)熱潮。通過該申請(qǐng)量和公開量的趨勢(shì)可以從宏觀層面把握TFT在各時(shí)期的專利布局變化，為TFT的進(jìn)一步研究提供參考。圖表中專利公開和專利申請(qǐng)相比有一定滯后，一般發(fā)明專利在申請(qǐng)后3-18個(gè)月公開，實(shí)用新型專利和外觀設(shè)計(jì)專利在申請(qǐng)后1-15個(gè)月公開。

圖1 TFT申請(qǐng)-公布量趨勢(shì)

2.2 TFT專利相關(guān)申請(qǐng)人分布

圖2展示的是TFT專利技術(shù)按照所屬申請(qǐng)人（專利權(quán)人）的專利數(shù)量統(tǒng)計(jì)的申請(qǐng)人排名情況，圖中列出全球?qū)＠暾?qǐng)量前十的申請(qǐng)人排名情況。通過分析可以發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)量第一的申請(qǐng)人為日本公司株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所，第二為中國公司京東方科技集團(tuán)股份有限公司，而排名第三的則為韓國公司三星電子有限公司，申請(qǐng)量排名越前則說明該申請(qǐng)人在對(duì)于TFT的專利技術(shù)中創(chuàng)新成果積累較多，并據(jù)此可以部分反映出申請(qǐng)人的專利競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力?？梢?，全球TFT專利技術(shù)申請(qǐng)量前三的申請(qǐng)人主要分布在日本、中國和韓國，而顯示器件產(chǎn)品主要的生產(chǎn)商所在的國家以及顯示器產(chǎn)品全球銷量占比也與之相符，這也客觀地說明全球科技發(fā)展大國對(duì)于TFT專利技術(shù)的研究和重視，更充分的體現(xiàn)TFT專利技術(shù)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的影響。

圖2 TFT主要申請(qǐng)人分布

2.3 TFT的全球地區(qū)專利布局

圖3展示的是TFT技術(shù)在各個(gè)國家或地區(qū)的專利數(shù)量分布情況。通過圖表分析可以看出TFT專利技術(shù)的技術(shù)創(chuàng)新在日本、美國、韓國和中國等國家較為活躍，由此可以看出TFT技術(shù)在上述國家中占據(jù)了重要的技術(shù)市場(chǎng)。我國對(duì)TFT技術(shù)的專利申請(qǐng)量也已躋身世界前列，這說明了我國對(duì)TFT專利技術(shù)的研究也在不斷加強(qiáng)并且逐漸重視，通過分析世界專利申請(qǐng)分布分析更有利于我國在TFT專利技術(shù)上的進(jìn)步，并對(duì)進(jìn)一步的TFT技術(shù)發(fā)展提供參考和思路。

圖3 TFT國別-專利數(shù)量分布

本文通過研究薄膜晶體管專利技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，從申請(qǐng)量趨勢(shì)、申請(qǐng)人分布及申請(qǐng)量區(qū)域分布等進(jìn)行可視化分析。由此可見，TFT的專利技術(shù)研究仍然是世界各國的研究熱點(diǎn)。希望本文的TFT研究分析能進(jìn)一步促進(jìn)TFT創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，并提高我國在TFT專利技術(shù)上的國際競(jìng)爭(zhēng)力。