薄膜晶體管結構中的有源層材料發展專利技術綜述

賀泉泉+肖玲+許鐵柱

摘 要：在顯示技術領域，以液晶顯示（LCD）為代表的平板顯示已經取代傳統的、體積笨重的CRT顯示并占據主流地位，涵蓋了從手機到大尺寸電視在內的各種顯示應用領域。薄膜晶體管TFT已經成為電子平板顯示行業的核心部件，提高TFT晶體管的性能深刻影響著顯示領域的技術發展。本文主要利用數據庫的檢索結果從中國、全球的專利申請量、申請人等多方面進行數據統計和分析，總結了有源區的材料在薄膜晶體管中的相關國內外專利申請趨勢、主要申請人分布以及對重點技術的發展路線進行了梳理。

關鍵詞：TFT；有源區材料

目前，TFT的有源層材料主要分為以下幾種[1]：（1）非晶硅薄膜晶體管（a-Si：H TFT），以a-Si 為半導體活性層；（2）p-Si TFT ，以多晶硅（P-Si）為活性層，（3）有機薄膜晶體管，以有機半導體材料充當柵絕緣層、半導體活性層；（4）金屬氧化物TFT，以無摻雜金屬氧化物作為半導體活性層，就常見的ZnO 薄膜而言，它是一種屬于直接寬帶隙（常溫下帶隙為3.37eV）透明氧化物半導體，具有六方纖鋅礦結構、C 軸優先取向，具有優良的壓電、光電、氣敏、壓敏等性質[2]。此外，隨著半導體材料被廣泛研究，各類新型材料也被應用到結構薄膜場效應晶體管中，例如：納米材料和石墨烯材料作為結構薄膜晶體管的有源層發揮著巨大的潛力。

1.專利申請分析

為了研究有源層材料在薄膜場效應晶體管中專利技術的發展情況，利用數據庫，結合相關的檢索策略，對得到的數據進行中國專利申請和全球專利申請進行統計分析。

圖1為在全球范圍內的薄膜晶體管的申請量與在中國申請的薄膜晶體管的專利申請量的對比圖。由該圖可知，在1979年-1992年，薄膜晶體管已經開始在世界范圍內萌芽，且分析得到該初期階段主要體現在日本、美國等發達國家且其并沒有進入中國市場，中國在薄膜晶體管領域的專利萌芽階段晚于其他先進國家近15年的時間；在2000年之后，國內市場逐步打開，相關國家的重要專利也轉向中國市場，同時在2004年之后，中國本土企業開始快速發展；國內有關薄膜晶體管的專利申請總體發展趨勢與全球趨勢基本相同。

根據檢索結果分析，在中國申請的結構薄膜晶體管的主要專利申請人，申請量排前五的分別是SEME、京東方、三星電子、IBM和夏普，其中SEME和夏普都屬于日本大公司，京東方則是中國在薄膜晶體管領域的重要申請人，三星電子和IBM也分別是韓國和美國處于壟斷地位的龍頭企業。分析可知，日本屬于本領域專利申請量較多的國家，且其具有很多薄膜晶體管領域的核心專利。

而薄膜晶體管在中國的專利申請中，申請量排名前5的分別是：日本、北京、韓國、美國和德國，同樣申請量較多的國內的省市還有深圳、江蘇、上海等地，說明中國在國際上的結構薄膜場效應晶體管申請量占據較大市場，而國內重要申請人則集中在我國的一線城市和長三角等經濟發達的城市。

2. 薄膜晶體管中有源區材料的主要發展路線

圖2展示了薄膜晶體管中有源區材料的主要發展路線，通過對該發展路線進行研究梳理，有助于了解薄膜晶體管中有源區材料的發展歷史和現狀以及未來的主要研究方向。

早在1987年，日本富士通株式會社提出了薄膜場效應晶體管的形成方法（JP昭63-178560A）。該專利申請的同族被引證數高達51次，為之后進行薄膜晶體管的研究打開了大門。隨后日本、美國相繼出現了有關采用非晶硅作為有源層的薄膜場效應晶體管，例如：公開號為JP平-183853A、JP平2-207537、 US5346850A的專利申請。

非晶硅TFT適用于大面積裝置的有源矩陣基板，但是存在遷移率非常低、導通態電流小的問題。受制備工藝的制約和載流子遷移率的影響，美國IBM公司于1991年提出了非晶硅-多晶硅材料作為溝道的薄膜晶體管EP0473988A1。隨后，在1993年，株式會社半導體能源研究所提出了一種半多晶材料作為有源層的頂柵TFT（CN1086047A）。

非晶硅和半多晶薄膜晶體管液晶顯示器很難滿足輕薄、省電和高畫質的要求，而多晶硅液晶顯示器則具有畫面刷新速度快、亮度高和清晰度高等優點，在1996年先后涌現出了一股研究多晶硅薄膜晶體管的熱潮，其代表專利有：株式會社半導體能源研究所提出專利申請CN1169026A和韓國三星電子提出的專利申請US5840602A。

3.結語

通過上述分析可以看出，薄膜晶體管的有源區材料經歷了較多階段，其中在非多晶和多晶材料的發展已經比較成熟，申請國家主要集中在日本、美國和韓國，其不僅專利申請量多，授權的核心專利也壟斷了大部分技術，在一定程度上對我國有關材料的應用造成了巨大的壓力；然而，對于新型材料的研發，國內企業和高校也不斷創新，逐漸占據了很大位置，從目標國家的申請量分析可以看出，中國在該領域的市場還是很大發展前景，在今后的發展中，國內申請人也應關注前沿技術，不斷創新發展。

參考文獻

[1] 許洪華.薄膜晶體管研究進展.光子技術，2006， 3：135 -140.

[2] Zhang Xinan. Fabrication of Bottom-gate and Top-gate Transparent ZnO Thin Film Transistors. Journal of Semiconductors， 2008， 29（5）：859-862.