薄膜晶體管的專利研究進展分析

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心 張雄娥

薄膜晶體管的專利研究已然成為全球研究熱點，本文針對薄膜晶體管，開展關于薄膜晶體管的全球專利技術申請相關情況分析，主要涉及專利申請量布局、申請人統計分析以及專利申請的地區分布。

隨著顯示器件的不斷發展，薄膜晶體管(TFT)作為顯示器元件的陣列基板開關元件起到陣列驅動的作用，并且在平板顯示技術的應用中尤為突出，薄膜晶體管已然成為微電子技術特別是顯示技術領域的核心技術之一，起到核心作用的薄膜晶體管的研究儼然已成為全球專利技術研究熱點。為實現目前顯示領域的小型化、高性能以及低制備成本等市場需求以及其他各種應用需求，薄膜晶體管器件技術的研究不僅包括薄膜晶體管器件結構的研究，還進一步包括在薄膜晶體管的有源層的相關研究以及對薄膜晶體管器件的形成工藝的研究。薄膜晶體管的全球專利申請情況可以反映出世界薄膜晶體管創新技術的研究趨勢，更能反映出世界各國在薄膜晶體管創新技術的世界競爭力。

1 TFT簡介

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效應晶體管，是由柵電極、源電極和漏電極所共同構成的三端子控制元件，主要包括基板、有源區溝道層、柵極絕緣層、柵電極和源漏電極等幾個重要的組成部分，其中有源區溝道層的性能與制作工藝對薄膜晶體管的性能有至關重要的決定性影響。薄膜晶體管根據溝道載流子類型構成分為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，由此產生電場使得半導體有源層表面形成反型層；然后向源漏電極間加電壓，此時載流子通過溝道實現電流在源電極到漏電極之間流動，使得薄膜晶體管實現導通；直到當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，根據電壓的不斷增加，薄膜晶體管器件進入飽和區；若漏電極未施加電壓時，薄膜晶體管溝道則不導通。

1.2 TFT的分類

根據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。在結構上平面型薄膜晶體管的源電極和漏電極分別位于半導體有源層的橫向兩側，形成橫向溝道區，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橫向流動。而垂直型薄膜晶體管則是源電極和漏電極位于半導體有源層的上下兩側，形成縱向溝道區，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實現縱向流動。

根據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構為：由下至上依次包括襯底基板、柵極、柵極絕緣層、半導體有源層和源漏電極層；頂柵型薄膜晶體管的主要結構為：由下至上依次包括襯底基板、半導體有源層、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，用以保護薄膜晶體管器件免受環境水汽、氧等的影響。

根據半導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體薄膜晶體管和其他化合物半導體薄膜晶體管。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的發展。因此在載流子遷移率高要求的發展趨勢，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體薄膜晶體管已成為顯示技術的研究熱點，并且被廣泛的應用于顯示裝置中。

1.3 TFT的應用

薄膜晶體管形成的陣列基板是顯示裝置的關鍵部件，薄膜陣列基板向顯示裝置提供驅動電路及開關電路等，而其中薄膜晶體管是陣列基板中至關重要的元件，因此薄膜晶體管被廣泛使用在平板顯示領域，用作顯示面板中的開關器件和驅動器件，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點，在柔性便攜式設備方面薄膜晶體管有著很好的應用前景，研究主要針對柔性顯示，便攜式電子器件等領域展開。另外，在傳感器等生物醫療設備上薄膜晶體管正出現大量的研究。

2 TFT的專利研究分析

2.1 TFT全球申請情況

圖1展示的是TFT近十年的全球專利申請量和公開量的發展趨勢。如下圖表可以看出，從2010-2019年間對TFT的專利申請量和公開量的數量都不低且發展趨勢平穩，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對現代科技發展的重要性，為搶占TFT的相關技術專利，全球掀起TFT專利申請熱潮。通過該申請量和公開量的趨勢可以從宏觀層面把握TFT在各時期的專利布局變化，為TFT的進一步研究提供參考。圖表中專利公開和專利申請相比有一定滯后，一般發明專利在申請后3-18個月公開，實用新型專利和外觀設計專利在申請后1-15個月公開。

圖1 TFT申請-公布量趨勢

2.2 TFT專利相關申請人分布

圖2展示的是TFT專利技術按照所屬申請人（專利權人）的專利數量統計的申請人排名情況，圖中列出全球專利申請量前十的申請人排名情況。通過分析可以發現申請量第一的申請人為日本公司株式會社半導體能源研究所，第二為中國公司京東方科技集團股份有限公司，而排名第三的則為韓國公司三星電子有限公司，申請量排名越前則說明該申請人在對于TFT的專利技術中創新成果積累較多，并據此可以部分反映出申請人的專利競爭實力。可見，全球TFT專利技術申請量前三的申請人主要分布在日本、中國和韓國，而顯示器件產品主要的生產商所在的國家以及顯示器產品全球銷量占比也與之相符，這也客觀地說明全球科技發展大國對于TFT專利技術的研究和重視，更充分的體現TFT專利技術對市場競爭力的影響。

圖2 TFT主要申請人分布

2.3 TFT的全球地區專利布局

圖3展示的是TFT技術在各個國家或地區的專利數量分布情況。通過圖表分析可以看出TFT專利技術的技術創新在日本、美國、韓國和中國等國家較為活躍，由此可以看出TFT技術在上述國家中占據了重要的技術市場。我國對TFT技術的專利申請量也已躋身世界前列，這說明了我國對TFT專利技術的研究也在不斷加強并且逐漸重視，通過分析世界專利申請分布分析更有利于我國在TFT專利技術上的進步，并對進一步的TFT技術發展提供參考和思路。

圖3 TFT國別-專利數量分布

本文通過研究薄膜晶體管專利技術的發展狀況，從申請量趨勢、申請人分布及申請量區域分布等進行可視化分析。由此可見，TFT的專利技術研究仍然是世界各國的研究熱點。希望本文的TFT研究分析能進一步促進TFT創新技術的發展，并提高我國在TFT專利技術上的國際競爭力。