薄膜晶體管結(jié)構(gòu)中的有源層材料發(fā)展專利技術(shù)綜述

賀泉泉+肖玲+許鐵柱

摘 要：在顯示技術(shù)領(lǐng)域，以液晶顯示（LCD）為代表的平板顯示已經(jīng)取代傳統(tǒng)的、體積笨重的CRT顯示并占據(jù)主流地位，涵蓋了從手機(jī)到大尺寸電視在內(nèi)的各種顯示應(yīng)用領(lǐng)域。薄膜晶體管TFT已經(jīng)成為電子平板顯示行業(yè)的核心部件，提高TFT晶體管的性能深刻影響著顯示領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。本文主要利用數(shù)據(jù)庫的檢索結(jié)果從中國、全球的專利申請(qǐng)量、申請(qǐng)人等多方面進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，總結(jié)了有源區(qū)的材料在薄膜晶體管中的相關(guān)國內(nèi)外專利申請(qǐng)趨勢、主要申請(qǐng)人分布以及對(duì)重點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展路線進(jìn)行了梳理。

關(guān)鍵詞：TFT；有源區(qū)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(dǎo)體活性層；（2）p-Si TFT ，以多晶硅（P-Si）為活性層，（3）有機(jī)薄膜晶體管，以有機(jī)半導(dǎo)體材料充當(dāng)柵絕緣層、半導(dǎo)體活性層；（4）金屬氧化物TFT，以無摻雜金屬氧化物作為半導(dǎo)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(dǎo)體，具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)、C 軸優(yōu)先取向，具有優(yōu)良的壓電、光電、氣敏、壓敏等性質(zhì)[2]。此外，隨著半導(dǎo)體材料被廣泛研究，各類新型材料也被應(yīng)用到結(jié)構(gòu)薄膜場效應(yīng)晶體管中，例如：納米材料和石墨烯材料作為結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的有源層發(fā)揮著巨大的潛力。

1.專利申請(qǐng)分析

為了研究有源層材料在薄膜場效應(yīng)晶體管中專利技術(shù)的發(fā)展情況，利用數(shù)據(jù)庫，結(jié)合相關(guān)的檢索策略，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行中國專利申請(qǐng)和全球?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1為在全球范圍內(nèi)的薄膜晶體管的申請(qǐng)量與在中國申請(qǐng)的薄膜晶體管的專利申請(qǐng)量的對(duì)比圖。由該圖可知，在1979年-1992年，薄膜晶體管已經(jīng)開始在世界范圍內(nèi)萌芽，且分析得到該初期階段主要體現(xiàn)在日本、美國等發(fā)達(dá)國家且其并沒有進(jìn)入中國市場，中國在薄膜晶體管領(lǐng)域的專利萌芽階段晚于其他先進(jìn)國家近15年的時(shí)間；在2000年之后，國內(nèi)市場逐步打開，相關(guān)國家的重要專利也轉(zhuǎn)向中國市場，同時(shí)在2004年之后，中國本土企業(yè)開始快速發(fā)展；國內(nèi)有關(guān)薄膜晶體管的專利申請(qǐng)總體發(fā)展趨勢與全球趨勢基本相同。

根據(jù)檢索結(jié)果分析，在中國申請(qǐng)的結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的主要專利申請(qǐng)人，申請(qǐng)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(lǐng)域的重要申請(qǐng)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(yè)。分析可知，日本屬于本領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量較多的國家，且其具有很多薄膜晶體管領(lǐng)域的核心專利。

而薄膜晶體管在中國的專利申請(qǐng)中，申請(qǐng)量排名前5的分別是：日本、北京、韓國、美國和德國，同樣申請(qǐng)量較多的國內(nèi)的省市還有深圳、江蘇、上海等地，說明中國在國際上的結(jié)構(gòu)薄膜場效應(yīng)晶體管申請(qǐng)量占據(jù)較大市場，而國內(nèi)重要申請(qǐng)人則集中在我國的一線城市和長三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市。

2. 薄膜晶體管中有源區(qū)材料的主要發(fā)展路線

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

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

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(dǎo)通態(tài)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(huì)社半導(dǎo)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(zhì)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(yōu)點(diǎn)，在1996年先后涌現(xiàn)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(huì)社半導(dǎo)體能源研究所提出專利申請(qǐng)CN1169026A和韓國三星電子提出的專利申請(qǐng)US5840602A。

3.結(jié)語

通過上述分析可以看出，薄膜晶體管的有源區(qū)材料經(jīng)歷了較多階段，其中在非多晶和多晶材料的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，申請(qǐng)國家主要集中在日本、美國和韓國，其不僅專利申請(qǐng)量多，授權(quán)的核心專利也壟斷了大部分技術(shù)，在一定程度上對(duì)我國有關(guān)材料的應(yīng)用造成了巨大的壓力；然而，對(duì)于新型材料的研發(fā)，國內(nèi)企業(yè)和高校也不斷創(chuàng)新，逐漸占據(jù)了很大位置，從目標(biāo)國家的申請(qǐng)量分析可以看出，中國在該領(lǐng)域的市場還是很大發(fā)展前景，在今后的發(fā)展中，國內(nèi)申請(qǐng)人也應(yīng)關(guān)注前沿技術(shù)，不斷創(chuàng)新發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 許洪華.薄膜晶體管研究進(jìn)展.光子技術(shù)，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.