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國家知識產權局光電技術發明審查部處長杜江峰演講
日期:2012-10-26 作者: 杜江峰(國家知識產權局光電技術發明審查部處長) 

氧化物TFT的專利現狀分析和中國機會

國家知識產權局專利局 杜江峰

氧化物TFT是指半導體溝道層采用金屬氧化物制備的薄膜晶體管,又稱金屬氧化物TFTOxide TFT。氧化物TFT2003年以后才逐漸熱門起來的一項驅動新技術,是目前薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid-Crystal DisplayTFT-LCD)的研究熱點之一。氧化物半導體薄膜具備良好的低溫生長性、簡單的制備工藝要求、較高的遷移率和光透過性,是最有希望的下一代顯示技術驅動部件。

根據國家知識產權局專利局液晶顯示專利分析普及推廣課題組(簡稱課題組)的研究,截止到2012521日,在德溫特世界專利索引數據庫DWPI和世界專利文摘數據庫SIPOABS中公開的全球涉及氧化物TFT溝道層材料、氧化物TFT結構改進及氧化物TFT制造方法的相關專利共計1281項,其中在中國申請相關專利464件。

為深入分析氧化物TFT技術發展趨勢、主要創新主體、重要發明人等情況,揭示技術發展路線和專利布局等專利情報信息,課題組根據氧化物TFT不同的技術研發角度,將氧化物TFT相關專利申請分為“整體結構”、“溝道材料”、“溝道工藝”、“溝道保護”、“絕緣層”、“電極”六大類;根據氧化物TFT不同的技術效果,將氧化物TFT相關專利申請分別賦予“低成本”、“低阻抗”、“低溫”、“均勻性”、“可靠性”、“開關比”、“遷移率”、“生產效率”、“透明”、“其他功效”十類技術功效。

1980年至2001年是氧化物TFT技術的萌芽期。根據專利文獻檢索結果,1980年美國施樂公司提出利用SnO為溝道層的薄膜晶體管及其陣列來控制驅動液晶顯示器等顯示像素的專利申請US4389481A,不過這篇專利沒有進一步說明以氧化錫為溝道層材料TFT性能會有哪些改進。1984年日本富士通公司的專利申請JP60-198861A明確提出采用WO3氧化物TFT來改進液晶顯示裝置的驅動可以提高遷移率和透明度。2000年前后日本科技振興機構申請了幾篇涉及ZnO溝道TFT的專利申請,其中JP20000150900是最有影響力的專利。該專利公開了TFT具有由ZnO組成透明溝道層、由摻雜第III組元素的ZnO導電膜作為透明電極、由摻雜一價元素或第V組元素的絕緣ZnO膜作為透明絕緣物質、用透明的玻璃、寶石或者塑料作基板,并且首次提出透明TFT和透明顯示概念。從1980年到2001年,氧化物TFT相關專利申請22年才提交了15件,技術研發少、專利申請量低,是氧化物TFT技術的萌芽期。

2002年至2005年是氧化物TFT技術的理論突破期,專利申請量出現了第一次快速增長。2002年有7位申請人提出16項氧化物TFT相關專利申請。從2002年開始專利申請量和申請人數量同時增加。到2005年有41位申請人提出110項氧化物TFT相關專利申請。日本半導體能源研究所2005年申請專利37項占當年申請總量的40%。在日本專利JP20000150900基礎上,2002年夏普公司提交了一件涉及ZnO TFT結構的專利JP2003298062JP2003298062專利后來被細野秀雄多次引用,被認為是IGZO TFT的基礎專利;此后,細野秀雄團隊有關單晶IGZO薄膜、單晶IGZO TFT、非晶IGZO薄膜、非晶IGZO TFT的專利相繼公布,特別是涉及非晶IGZO薄膜的專利WO2005088726有力的促進了氧化物TFT技術的產業化應用。2003年,Hoffman團隊和Carcia團隊分別在同期Applied Physics雜志上發表了兩篇里程碑式論文,與其相對應的專利申請US2003218222US2004127038也是2003年提交的。惠普公司和Hoffman團隊還提交了涉及單晶IZO溝道的專利申請US20051999959。在理論突破期,東京工業大學、俄亥俄州立大學、半導體能源研究所、杜邦公司、惠普公司等從事基礎研究和材料研究的研發主體是氧化物TFT的主要申請人,各大液晶面板制造商在氧化物TFT技術方面的研發投入少、專利申請量少。

2006年至今是氧化物TFT技術的產業促進期,專利申請量出現了第二次快速增長。2006年以后,韓國三星、LG公司,中國臺灣友達光電等各大液晶面板制造廠商積極開展氧化物TFT技術研發和產品開發,強化氧化物TFT專利布局,氧化物TFT專利申請量大幅增長。2009年專利申請量達到368項;2006~2009年提出的專利申請量占氧化物TFT專利申請總量的75%,申請人占申請人總數量的67%。2006年以后,ZnO研發遇到技術瓶頸,導致ZnO專利申請量增長勢頭有所減緩。其它材料的氧化物TFT研究則吸引了更多的新申請人和技術研發投入。2008IGZO研究取得重大進展,得到業界廣泛認可。日本半導體能源研究所2008年公布的4AMOLED、三星電子2009年公布的17LCD、友達光電2010年公布的32寸液晶顯示器等產品均采用IGZO作為溝道層。作為目前唯一公開報道已經產業化的溝道材料,IGZO在全球氧化物TFT技術專利申請總量中占有46%份額。2008年以后IZO逐漸成為專利申請的另一熱點。

全球氧化物TFT專利申請主要集中在日本、韓國、美國、中國內地和中國臺灣地區,占全球氧化物TFT專利申請總量的98%。日本以702項專利申請、占總申請量55%的比例位居首位。韓國以294項專利申請、占總申請量23%排在第二位。以日韓為核心的東北亞地區是全球氧化物TFT技術研發中心,占據重要地位。日本作為氧化物TFT技術輸出大國,非常重視專利布局,多年來一直保持氧化物TFT專利申請量全球第一。日本參與氧化物TFT技術研發的創新主體眾多,包括半導體能源研究所、佳能、富士、柯尼卡、索尼、夏普等著名公司。夏普公司更是宣布其位于日本龜山的8代線于20124月正式生產采用IGZO TFT的液晶面板,成為業界首家量產氧化物TFT液晶面板的廠商。韓國進入氧化物TFT技術研究的時間比日本稍晚,專利申請量從2005年開始穩步上升,目前穩居全球第二。韓國主要申請人三星SDI公司在KR2008094300 專利中率先提出獲得業內普遍認可的刻蝕阻擋型氧化物TFT結構。2010年底,三星SDI推出70英寸IGZO-TFT面板成功用于驅動液晶顯示。基于金屬氧化物材料的大尺寸IGZO-TFT面板技術的重大突破標志著氧化物TFT面板具有廣闊的產業前景。

全球氧化物TFT專利申請的技術研發角度差別很大。涉及氧化物TFT整體結構的專利申請近年來一直在持續快速增長,相關專利申請585項占全部申請量的46%。涉及氧化物TFT溝道工藝的專利申請是氧化物TFT技術的另一個研發熱點,相關專利申請323項占全部申請量的25%。涉及氧化物TFT電極、絕緣層和溝道保護方面的專利申請較少。隨著氧化物TFT技術產業化進程的發展,氧化物TFT整體結構還將是各創新主體最主要的研發方向。提高可靠性和降低成本是目前氧化物TFT技術研發的兩大熱點,專利布局較為密集。整體結構改進依次對氧化物TFT的可靠性、低成本、生產效率、開關比和遷移率產生影響。溝道工藝和溝道材料對氧化物TFT的可靠性、遷移率、均勻性、低成本影響較大。電極、絕緣層和溝道保護僅會影響穩定性。改進絕緣層以降低阻抗是氧化物TFT技術研發的技術空白點。有關遷移率、可靠性、開關比和生產效率的研究已經較為深入,專利申請相對密集,對低阻抗、低成本的研究相對較少。氧化物TFT的發展方向一是提高TFT可靠性,包括TFT性能對時間、溫度、環境氣體、光等因素的可靠性和制造過程的可控性;二是減小生產工藝Mask數,從而降低生產成本;三是開發新溝道層材料或調整材料配比,進一步提高TFT遷移率和開關特性。

全球氧化物TFT共有214位專利申請人。日本半導體能源研究所SEME276項,21.55%)、韓國三星SMSU164項,12.80%)、日本佳能CANO77項,6.01%)、日本富士FUJF58項,4.53%)、韓國LG顯示GLDS55項,4.29%)、日本出光興產IDEK54項,4.22%)、美國惠普HEWP34項,2.65%)、日本柯尼卡KONS34項,2.65%)、日本索尼SONY29項,2.26%),日本卡西歐CASK、日本夏普SHAF和中國臺灣友達光電AUOP(均為27項,2.11%)是主要專利申請人。從專利目標市場分析,這些主要申請人均關注本國市場和美國市場;關注中國市場的主要申請人有中國臺灣的友達光電、佳能、出光興產和惠普。從研發角度分析,各主要申請人最關注整體結構,其次是溝道工藝;出光興產最關注溝道材料。

課題組還對韓國三星公司(SMSU)、日本夏普公司、美國惠普公司、中國臺灣友達光電公司等四家重要申請人進行了深入分析。三星公司有三星電子、三星移動顯示、三星SDI、三星DENKAN和三星康寧等多家子公司的188名研究人員參與氧化物TFT技術研發,專利申請主要集中在整體結構、溝道工藝和溝道材料方面,有6%的專利是合作申請。根據技術研發的需要,三星公司分別與韓國延世大學、首爾大學、成均館大學、全南國立大學、韓國科學技術院等著名理工科大學和研究機構建立合作研發;與美國杜邦公司結成戰略伙伴關系;從日本科學技術振興機構(JST) 取得氧化物半導體IGZO TFT專利許可。通過合作研發、聯合申請、引進技術等途徑三星快速成為氧化物TFT技術領先者。

中國在氧化物TFT技術研究方面起步較晚、基礎差,研發主體以高校及研究所為主,與日韓等國差距較大。最早在中國申請氧化物TFT專利的是日本夏普公司,2002年提出專利申請CN1405898A2006年以后日本半導體能源研究所、出光興產、索尼、韓國三星公司和中國臺灣的友達光電等公司積極在中國展開專利布局,氧化物TFT技術的專利申請快速增長,2009年專利申請量超過百件。目前,來自日本的專利申請占全部申請的55%占據絕對優勢,來自中國本地的專利申請占全部申請的18%位居第二。2006年以后京東方公司等一些國內重要液晶面板制造企業的積極介入氧化物TFT技術研發,專利申請量保持快速增長勢頭。總體來看,日本半導體能源研究所、佳能公司、出光興產公司、索尼公司,韓國三星公司,中國臺灣友達光電公司,是國內氧化物TFT技術領域必須重點關注的創新主體;北大深圳研究生院、浙江大學在技術研發上具有一定的基礎。

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