薄膜晶体管的专利研究进展分析

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 张雄娥

薄膜晶体管的专利研究已然成为全球研究热点，本文针对薄膜晶体管，开展关于薄膜晶体管的全球专利技术申请相关情况分析，主要涉及专利申请量布局、申请人统计分析以及专利申请的地区分布。

随着显示器件的不断发展，薄膜晶体管(TFT)作为显示器元件的阵列基板开关元件起到阵列驱动的作用，并且在平板显示技术的应用中尤为突出，薄膜晶体管已然成为微电子技术特别是显示技术领域的核心技术之一，起到核心作用的薄膜晶体管的研究俨然已成为全球专利技术研究热点。为实现目前显示领域的小型化、高性能以及低制备成本等市场需求以及其他各种应用需求，薄膜晶体管器件技术的研究不仅包括薄膜晶体管器件结构的研究，还进一步包括在薄膜晶体管的有源层的相关研究以及对薄膜晶体管器件的形成工艺的研究。薄膜晶体管的全球专利申请情况可以反映出世界薄膜晶体管创新技术的研究趋势，更能反映出世界各国在薄膜晶体管创新技术的世界竞争力。

1 TFT简介

1.1 TFT的工作原理

薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）作为一种绝缘栅型场效应晶体管，是由栅电极、源电极和漏电极所共同构成的三端子控制元件，主要包括基板、有源区沟道层、栅极绝缘层、栅电极和源漏电极等几个重要的组成部分，其中有源区沟道层的性能与制作工艺对薄膜晶体管的性能有至关重要的决定性影响。薄膜晶体管根据沟道载流子类型构成分为N型薄膜晶体管和P型薄膜晶体管。其工作原理如以N型薄膜晶体管为例主要为，首先向栅电极施加正向电压，由此产生电场使得半导体有源层表面形成反型层；然后向源漏电极间加电压，此时载流子通过沟道实现电流在源电极到漏电极之间流动，使得薄膜晶体管实现导通；直到当源漏电极间的电压增到一定程度后，漏电极端反型层厚度逐渐减为零，根据电压的不断增加，薄膜晶体管器件进入饱和区；若漏电极未施加电压时，薄膜晶体管沟道则不导通。

1.2 TFT的分类

根据载流子在沟道中的流通方向不同，分为平面型薄膜晶体管和垂直型薄膜晶体管。在结构上平面型薄膜晶体管的源电极和漏电极分别位于半导体有源层的横向两侧，形成横向沟道区，使得薄膜晶体管的载流子在源电极和漏电极之间的沟道区横向流动。而垂直型薄膜晶体管则是源电极和漏电极位于半导体有源层的上下两侧，形成纵向沟道区，使得薄膜晶体管的载流子在源电极和漏电极之间的沟道区实现纵向流动。

根据栅极的排布位置不同，分为底栅型薄膜晶体管和顶栅型薄膜晶体管。底栅型薄膜晶体管的主要结构为：由下至上依次包括衬底基板、栅极、栅极绝缘层、半导体有源层和源漏电极层；顶栅型薄膜晶体管的主要结构为：由下至上依次包括衬底基板、半导体有源层、源漏电极层、栅极绝缘层和栅极，另外，无论是底栅型薄膜晶体管还是顶栅型薄膜晶体管，都可包括位于顶层的钝化层，用以保护薄膜晶体管器件免受环境水汽、氧等的影响。

根据半导体有源层的材料不同，分为硅晶体管和非硅晶体管，其中硅晶体管主要分为非晶硅和多晶硅晶体管；而非硅晶体管则主要分为金属氧化物半导体薄膜晶体管和其他化合物半导体薄膜晶体管。由于非晶硅薄膜晶体管的漏电流较小，因此早期的液晶显示技术大多采用非晶硅薄膜晶体管，但是非晶硅薄膜晶体管普遍存在载流子迁移率低下的问题，这极大的影响了显示技术的发展。因此在载流子迁移率高要求的发展趋势，目前具有高载流子迁移率的多晶硅薄膜晶体管和金属氧化物半导体薄膜晶体管已成为显示技术的研究热点，并且被广泛的应用于显示装置中。

1.3 TFT的应用

薄膜晶体管形成的阵列基板是显示装置的关键部件，薄膜阵列基板向显示装置提供驱动电路及开关电路等，而其中薄膜晶体管是阵列基板中至关重要的元件，因此薄膜晶体管被广泛使用在平板显示领域，用作显示面板中的开关器件和驱动器件，是显示面板的重要组成部分。

由于薄膜晶体管具有集成度高、多功能、低成本以及工艺灵活等优点，在柔性便携式设备方面薄膜晶体管有着很好的应用前景，研究主要针对柔性显示，便携式电子器件等领域展开。另外，在传感器等生物医疗设备上薄膜晶体管正出现大量的研究。

2 TFT的专利研究分析

2.1 TFT全球申请情况

图1展示的是TFT近十年的全球专利申请量和公开量的发展趋势。如下图表可以看出，从2010-2019年间对TFT的专利申请量和公开量的数量都不低且发展趋势平稳，说明近十年全球TFT的专利研究始终保持较高热度。由此也可以看到TFT对现代科技发展的重要性，为抢占TFT的相关技术专利，全球掀起TFT专利申请热潮。通过该申请量和公开量的趋势可以从宏观层面把握TFT在各时期的专利布局变化，为TFT的进一步研究提供参考。图表中专利公开和专利申请相比有一定滞后，一般发明专利在申请后3-18个月公开，实用新型专利和外观设计专利在申请后1-15个月公开。

图1 TFT申请-公布量趋势

2.2 TFT专利相关申请人分布

图2展示的是TFT专利技术按照所属申请人（专利权人）的专利数量统计的申请人排名情况，图中列出全球专利申请量前十的申请人排名情况。通过分析可以发现申请量第一的申请人为日本公司株式会社半导体能源研究所，第二为中国公司京东方科技集团股份有限公司，而排名第三的则为韩国公司三星电子有限公司，申请量排名越前则说明该申请人在对于TFT的专利技术中创新成果积累较多，并据此可以部分反映出申请人的专利竞争实力。可见，全球TFT专利技术申请量前三的申请人主要分布在日本、中国和韩国，而显示器件产品主要的生产商所在的国家以及显示器产品全球销量占比也与之相符，这也客观地说明全球科技发展大国对于TFT专利技术的研究和重视，更充分的体现TFT专利技术对市场竞争力的影响。

图2 TFT主要申请人分布

2.3 TFT的全球地区专利布局

图3展示的是TFT技术在各个国家或地区的专利数量分布情况。通过图表分析可以看出TFT专利技术的技术创新在日本、美国、韩国和中国等国家较为活跃，由此可以看出TFT技术在上述国家中占据了重要的技术市场。我国对TFT技术的专利申请量也已跻身世界前列，这说明了我国对TFT专利技术的研究也在不断加强并且逐渐重视，通过分析世界专利申请分布分析更有利于我国在TFT专利技术上的进步，并对进一步的TFT技术发展提供参考和思路。

图3 TFT国别-专利数量分布

本文通过研究薄膜晶体管专利技术的发展状况，从申请量趋势、申请人分布及申请量区域分布等进行可视化分析。由此可见，TFT的专利技术研究仍然是世界各国的研究热点。希望本文的TFT研究分析能进一步促进TFT创新技术的发展，并提高我国在TFT专利技术上的国际竞争力。