高遷移率有機(jī)薄膜晶體管專利申請(qǐng)關(guān)鍵技術(shù)分析

張虹

摘? 要：有機(jī)薄膜晶體管使用有機(jī)半導(dǎo)體材料為有源層，通過(guò)改變外加電場(chǎng)來(lái)控制有源層的導(dǎo)電性。與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，它具有造價(jià)低廉、可大面積加工、可與柔性基底集成等優(yōu)點(diǎn)，在世界電子器件領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。近年來(lái)，對(duì)高遷移率有機(jī)半導(dǎo)體材料、薄膜物理和器件工程等相關(guān)方面的研究有了快速發(fā)展，使OTFTs的遷移率、開(kāi)關(guān)電流比等性能已達(dá)到或超過(guò)同類非晶硅（α-Si∶H）器件的水平。這實(shí)現(xiàn)了在平板顯示驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)用，以及在低成本便捷型記憶元件（身份識(shí)別卡、商品價(jià)格簽）等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：薄膜晶體管;有機(jī)半導(dǎo)體;顯示

中圖分類號(hào)：TN304? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

有機(jī)薄膜晶體管（OTFTs），也稱有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有大致可分為3個(gè)時(shí)期的研究歷史：萌芽期（1986年～1993年），主要是針對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料材料性質(zhì)和器件的工作機(jī)理進(jìn)行的初步探究;成熟期（1993年～1997年），技術(shù)焦點(diǎn)主要集中在材料薄膜形態(tài)控制、載流子傳輸機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)和制備技術(shù)等方面的探究;持續(xù)發(fā)展期（1997年至今），研究熱點(diǎn)在于新型有機(jī)半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)、單晶有機(jī)器件和集成器件的研究以及薄膜形態(tài)控制的持續(xù)研究。

場(chǎng)效應(yīng)遷移率是有機(jī)薄膜晶體管的重要參數(shù)，其物理意義在于：描述在電場(chǎng)作用下，溝道有限區(qū)內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)情況。其大小綜合了器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有源層種類、薄膜形態(tài)和質(zhì)量，甚至是柵極絕緣層、源/漏電極等均構(gòu)成影響因素，主要影響到TFT器件的工作頻率。OTFTs基本原理是通過(guò)在柵極上施加電壓來(lái)調(diào)節(jié)源極和漏極之間的導(dǎo)電溝道中的電荷載流子的濃度。當(dāng)半導(dǎo)體層和絕緣層界面處可以出現(xiàn)空穴溝道層時(shí)，而形成較大的空穴電流，即為P型OTFT;與之對(duì)應(yīng)，而當(dāng)界面出現(xiàn)電子層時(shí)，而形成的電子電流，即為n型OTFT。影響雙極晶體管頻率響應(yīng)特性最主要的因素是少數(shù)載流子通過(guò)基區(qū)的時(shí)間。遷移率越高，所需傳輸時(shí)間越短，晶體管的截止頻率與基區(qū)材料的載流子遷移率成正比。通過(guò)提高載流子遷移率，可以提高器件的再留能力，從而提高晶體管的開(kāi)關(guān)速度。

1 OTFTs關(guān)鍵技術(shù)分析

OTFTs 器件通常由柵極、有機(jī)有源層、絕緣層、源/漏電極構(gòu)成，所以發(fā)明專利對(duì)有機(jī)薄膜晶體管遷移率的提高也著眼于這些結(jié)構(gòu)特征，延伸及這些結(jié)構(gòu)的組成材料、制備方法、預(yù)處理、后處理等。

針對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體層（也常稱作有源層或溝道層）的改進(jìn)，是高遷移率有機(jī)薄膜晶體管專利申請(qǐng)中最主要的部分，占比高達(dá)72 %，這個(gè)現(xiàn)象不難理解，有機(jī)半導(dǎo)體層是OTFT的核心結(jié)構(gòu)，高遷移率的有機(jī)半導(dǎo)體層是高遷移率OTFT的保證;針對(duì)整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)占申請(qǐng)總量的10 %，主要涉及各結(jié)構(gòu)之間的界面層/中間層的設(shè)置、決定有機(jī)半導(dǎo)體層分子取向的取向?qū)右约霸绰┑男揎棇?改性層的設(shè)置等;此外，在高遷移率有機(jī)薄膜晶體管中，柵極絕緣層的改進(jìn)也占據(jù)了重要的地位，占申請(qǐng)總量的8 %，主要集中于柵極絕緣層材料的改進(jìn)。

針對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體層進(jìn)行改進(jìn)的發(fā)明專利，主要集中在材料、材料、制備方法、結(jié)構(gòu)預(yù)處理、后處理。其中，有機(jī)半導(dǎo)體材料的改進(jìn)占比最重，這也與近年來(lái)高遷移率有機(jī)薄膜晶體管材料一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)相呼應(yīng);新型高遷移率有機(jī)半導(dǎo)體材料占據(jù)有機(jī)半導(dǎo)體材料的改進(jìn)的主要地位，高達(dá)97 %，復(fù)合材料的制備（注入石墨烯、碳納米管、金屬離子等在有機(jī)材料的摻入）占2 %，此外，還涉及將有機(jī)半導(dǎo)體層的材料設(shè)置為各處不同以提高遷移率的技術(shù)內(nèi)容。

2 中國(guó)大陸申請(qǐng)技術(shù)形勢(shì)

2.1 中國(guó)大陸申請(qǐng)申請(qǐng)人分析

筆者對(duì)中國(guó)大陸申請(qǐng)人專利申請(qǐng)進(jìn)行了排序，表1中，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所申請(qǐng)量最多，主要集中于有機(jī)半導(dǎo)體材料的改進(jìn)，一般是新的有機(jī)材料的提出;電子科技大學(xué)，主要集中于OTFT的結(jié)構(gòu)改進(jìn);北京交通大學(xué)，均涉及OTFT的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，中國(guó)中化股份有限公司沈陽(yáng)化工研究院有限公司，均涉及有機(jī)半導(dǎo)體材料改進(jìn)。由上述內(nèi)容可以看出，國(guó)內(nèi)對(duì)高遷移率OTFT的研究，重要集中于科研院所。

2.2 中國(guó)大陸申請(qǐng)關(guān)鍵技術(shù)分支

作者對(duì)在專利庫(kù)中檢索得到數(shù)據(jù)的中國(guó)大陸申請(qǐng)人專利申請(qǐng)進(jìn)行了技術(shù)劃分，半導(dǎo)體層的改進(jìn)仍是占比最大的技術(shù)分支，達(dá)42%;結(jié)構(gòu)改進(jìn)占比30%;柵極絕緣層的改進(jìn)占比7%;與LCD等顯示部分配合占比5%。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)技術(shù)分支與全球申請(qǐng)技術(shù)劃分比較一致，半導(dǎo)體層的改進(jìn)仍是占比最大的技術(shù)分支，但國(guó)內(nèi)申請(qǐng)半導(dǎo)體層的改進(jìn)和對(duì)OTFTs結(jié)構(gòu)的改進(jìn)所占權(quán)重明顯有所不同，相比全球申請(qǐng)，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人更注重結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)OTFTs遷移率的提升。

2.3 重要專利技術(shù)細(xì)分

該文通過(guò)對(duì)各專利文獻(xiàn)在CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)中的“同族被引證次數(shù)”的統(tǒng)計(jì)，得到39篇關(guān)鍵技術(shù)專利申請(qǐng)，將引證次數(shù)大于等于20定義為重要專利，其中涉及有源層材料改進(jìn)的由23篇，結(jié)構(gòu)改進(jìn)的為7篇，柵極絕緣層的結(jié)構(gòu)/材料改進(jìn)的有5篇，源漏極修飾的有1篇，OTFT制備方法改進(jìn)的有2篇。針對(duì)同族被引證次數(shù)大于100的專利申請(qǐng)進(jìn)行了詳細(xì)解讀，技術(shù)分支主要涉及有機(jī)半導(dǎo)體材料改進(jìn)、OTFT制作方法、OTFT結(jié)構(gòu)改變及柵極絕緣層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4個(gè)方面。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，高遷移率有機(jī)薄膜晶體管申請(qǐng)國(guó)家和地區(qū)主要集中在日本、韓國(guó)、美國(guó)、歐洲和中國(guó)。相關(guān)領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人也主要集中在這幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)，特別是日本和美國(guó)。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人多為高校和科研院所。從技術(shù)發(fā)展上來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人在有機(jī)半導(dǎo)體材料遷移率的提高上的專利申請(qǐng)量最多，薄膜晶體管結(jié)構(gòu)、制作方法、柵極絕緣層的改進(jìn)也是提高OTFTs遷移率的重要方面，該領(lǐng)域的 “重要專利”在上述4個(gè)方面也均有所涉及。

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