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国家知识产权局光电技术发明审查部处长杜江峰演讲
日期:2012-10-26 作者: 杜江峰(国家知识产权局光电技术发明审查部处长) 

氧化物TFT的专利现状分析和中国机会

国家知识产权局专利局 杜江峰

氧化物TFT是指半导体沟道层采用金属氧化物制备的薄膜晶体管,又称金属氧化物TFTOxide TFT。氧化物TFT2003年以后才逐渐热门起来的一项驱动新技术,是目前薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor Liquid-Crystal DisplayTFT-LCD)的研究热点之一。氧化物半导体薄膜具备良好的低温生长性、简单的制备工艺要求、较高的迁移率和光透过性,是最有希望的下一代显示技术驱动部件。

根据国家知识产权局专利局液晶显示专利分析普及推广课题组(简称课题组)的研究,截止到2012521日,在德温特世界专利索引数据库DWPI和世界专利文摘数据库SIPOABS中公开的全球涉及氧化物TFT沟道层材料、氧化物TFT结构改进及氧化物TFT制造方法的相关专利共计1281项,其中在中国申请相关专利464件。

为深入分析氧化物TFT技术发展趋势、主要创新主体、重要发明人等情况,揭示技术发展路线和专利布局等专利情报信息,课题组根据氧化物TFT不同的技术研发角度,将氧化物TFT相关专利申请分为“整体结构”、“沟道材料”、“沟道工艺”、“沟道保护”、“绝缘层”、“电极”六大类;根据氧化物TFT不同的技术效果,将氧化物TFT相关专利申请分别赋予“低成本”、“低阻抗”、“低温”、“均匀性”、“可靠性”、“开关比”、“迁移率”、“生产效率”、“透明”、“其他功效”十类技术功效。

1980年至2001年是氧化物TFT技术的萌芽期。根据专利文献检索结果,1980年美国施乐公司提出利用SnO为沟道层的薄膜晶体管及其阵列来控制驱动液晶显示器等显示像素的专利申请US4389481A,不过这篇专利没有进一步说明以氧化锡为沟道层材料TFT性能会有哪些改进。1984年日本富士通公司的专利申请JP60-198861A明确提出采用WO3氧化物TFT来改进液晶显示装置的驱动可以提高迁移率和透明度。2000年前后日本科技振兴机构申请了几篇涉及ZnO沟道TFT的专利申请,其中JP20000150900是最有影响力的专利。该专利公开了TFT具有由ZnO组成透明沟道层、由掺杂第III组元素的ZnO导电膜作为透明电极、由掺杂一价元素或第V组元素的绝缘ZnO膜作为透明绝缘物质、用透明的玻璃、宝石或者塑料作基板,并且首次提出透明TFT和透明显示概念。从1980年到2001年,氧化物TFT相关专利申请22年才提交了15件,技术研发少、专利申请量低,是氧化物TFT技术的萌芽期。

2002年至2005年是氧化物TFT技术的理论突破期,专利申请量出现了第一次快速增长。2002年有7位申请人提出16项氧化物TFT相关专利申请。从2002年开始专利申请量和申请人数量同时增加。到2005年有41位申请人提出110项氧化物TFT相关专利申请。日本半导体能源研究所2005年申请专利37项占当年申请总量的40%。在日本专利JP20000150900基础上,2002年夏普公司提交了一件涉及ZnO TFT结构的专利JP2003298062JP2003298062专利后来被细野秀雄多次引用,被认为是IGZO TFT的基础专利;此后,细野秀雄团队有关单晶IGZO薄膜、单晶IGZO TFT、非晶IGZO薄膜、非晶IGZO TFT的专利相继公布,特别是涉及非晶IGZO薄膜的专利WO2005088726有力的促进了氧化物TFT技术的产业化应用。2003年,Hoffman团队和Carcia团队分别在同期Applied Physics杂志上发表了两篇里程碑式论文,与其相对应的专利申请US2003218222US2004127038也是2003年提交的。惠普公司和Hoffman团队还提交了涉及单晶IZO沟道的专利申请US20051999959。在理论突破期,东京工业大学、俄亥俄州立大学、半导体能源研究所、杜邦公司、惠普公司等从事基础研究和材料研究的研发主体是氧化物TFT的主要申请人,各大液晶面板制造商在氧化物TFT技术方面的研发投入少、专利申请量少。

2006年至今是氧化物TFT技术的产业促进期,专利申请量出现了第二次快速增长。2006年以后,韩国三星、LG公司,中国台湾友达光电等各大液晶面板制造厂商积极开展氧化物TFT技术研发和产品开发,强化氧化物TFT专利布局,氧化物TFT专利申请量大幅增长。2009年专利申请量达到368项;2006~2009年提出的专利申请量占氧化物TFT专利申请总量的75%,申请人占申请人总数量的67%。2006年以后,ZnO研发遇到技术瓶颈,导致ZnO专利申请量增长势头有所减缓。其它材料的氧化物TFT研究则吸引了更多的新申请人和技术研发投入。2008IGZO研究取得重大进展,得到业界广泛认可。日本半导体能源研究所2008年公布的4AMOLED、三星电子2009年公布的17LCD、友达光电2010年公布的32寸液晶显示器等产品均采用IGZO作为沟道层。作为目前唯一公开报道已经产业化的沟道材料,IGZO在全球氧化物TFT技术专利申请总量中占有46%份额。2008年以后IZO逐渐成为专利申请的另一热点。

全球氧化物TFT专利申请主要集中在日本、韩国、美国、中国内地和中国台湾地区,占全球氧化物TFT专利申请总量的98%。日本以702项专利申请、占总申请量55%的比例位居首位。韩国以294项专利申请、占总申请量23%排在第二位。以日韩为核心的东北亚地区是全球氧化物TFT技术研发中心,占据重要地位。日本作为氧化物TFT技术输出大国,非常重视专利布局,多年来一直保持氧化物TFT专利申请量全球第一。日本参与氧化物TFT技术研发的创新主体众多,包括半导体能源研究所、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龟山的8代线于20124月正式生产采用IGZO TFT的液晶面板,成为业界首家量产氧化物TFT液晶面板的厂商。韩国进入氧化物TFT技术研究的时间比日本稍晚,专利申请量从2005年开始稳步上升,目前稳居全球第二。韩国主要申请人三星SDI公司在KR2008094300 专利中率先提出获得业内普遍认可的刻蚀阻挡型氧化物TFT结构。2010年底,三星SDI推出70英寸IGZO-TFT面板成功用于驱动液晶显示。基于金属氧化物材料的大尺寸IGZO-TFT面板技术的重大突破标志着氧化物TFT面板具有广阔的产业前景。

全球氧化物TFT专利申请的技术研发角度差别很大。涉及氧化物TFT整体结构的专利申请近年来一直在持续快速增长,相关专利申请585项占全部申请量的46%。涉及氧化物TFT沟道工艺的专利申请是氧化物TFT技术的另一个研发热点,相关专利申请323项占全部申请量的25%。涉及氧化物TFT电极、绝缘层和沟道保护方面的专利申请较少。随着氧化物TFT技术产业化进程的发展,氧化物TFT整体结构还将是各创新主体最主要的研发方向。提高可靠性和降低成本是目前氧化物TFT技术研发的两大热点,专利布局较为密集。整体结构改进依次对氧化物TFT的可靠性、低成本、生产效率、开关比和迁移率产生影响。沟道工艺和沟道材料对氧化物TFT的可靠性、迁移率、均匀性、低成本影响较大。电极、绝缘层和沟道保护仅会影响稳定性。改进绝缘层以降低阻抗是氧化物TFT技术研发的技术空白点。有关迁移率、可靠性、开关比和生产效率的研究已经较为深入,专利申请相对密集,对低阻抗、低成本的研究相对较少。氧化物TFT的发展方向一是提高TFT可靠性,包括TFT性能对时间、温度、环境气体、光等因素的可靠性和制造过程的可控性;二是减小生产工艺Mask数,从而降低生产成本;三是开发新沟道层材料或调整材料配比,进一步提高TFT迁移率和开关特性。

全球氧化物TFT共有214位专利申请人。日本半导体能源研究所SEME276项,21.55%)、韩国三星SMSU164项,12.80%)、日本佳能CANO77项,6.01%)、日本富士FUJF58项,4.53%)、韩国LG显示GLDS55项,4.29%)、日本出光兴产IDEK54项,4.22%)、美国惠普HEWP34项,2.65%)、日本柯尼卡KONS34项,2.65%)、日本索尼SONY29项,2.26%),日本卡西欧CASK、日本夏普SHAF和中国台湾友达光电AUOP(均为27项,2.11%)是主要专利申请人。从专利目标市场分析,这些主要申请人均关注本国市场和美国市场;关注中国市场的主要申请人有中国台湾的友达光电、佳能、出光兴产和惠普。从研发角度分析,各主要申请人最关注整体结构,其次是沟道工艺;出光兴产最关注沟道材料。

课题组还对韩国三星公司(SMSU)、日本夏普公司、美国惠普公司、中国台湾友达光电公司等四家重要申请人进行了深入分析。三星公司有三星电子、三星移动显示、三星SDI、三星DENKAN和三星康宁等多家子公司的188名研究人员参与氧化物TFT技术研发,专利申请主要集中在整体结构、沟道工艺和沟道材料方面,有6%的专利是合作申请。根据技术研发的需要,三星公司分别与韩国延世大学、首尔大学、成均馆大学、全南国立大学、韩国科学技术院等著名理工科大学和研究机构建立合作研发;与美国杜邦公司结成战略伙伴关系;从日本科学技术振兴机构(JST) 取得氧化物半导体IGZO TFT专利许可。通过合作研发、联合申请、引进技术等途径三星快速成为氧化物TFT技术领先者。

中国在氧化物TFT技术研究方面起步较晚、基础差,研发主体以高校及研究所为主,与日韩等国差距较大。最早在中国申请氧化物TFT专利的是日本夏普公司,2002年提出专利申请CN1405898A2006年以后日本半导体能源研究所、出光兴产、索尼、韩国三星公司和中国台湾的友达光电等公司积极在中国展开专利布局,氧化物TFT技术的专利申请快速增长,2009年专利申请量超过百件。目前,来自日本的专利申请占全部申请的55%占据绝对优势,来自中国本地的专利申请占全部申请的18%位居第二。2006年以后京东方公司等一些国内重要液晶面板制造企业的积极介入氧化物TFT技术研发,专利申请量保持快速增长势头。总体来看,日本半导体能源研究所、佳能公司、出光兴产公司、索尼公司,韩国三星公司,中国台湾友达光电公司,是国内氧化物TFT技术领域必须重点关注的创新主体;北大深圳研究生院、浙江大学在技术研发上具有一定的基础。