高迁移率有机薄膜晶体管专利申请关键技术分析

张虹

摘  要：有机薄膜晶体管使用有机半导体材料为有源层，通过改变外加电场来控制有源层的导电性。与传统的无机场效应晶体管相比，它具有造价低廉、可大面积加工、可与柔性基底集成等优点，在世界电子器件领域引起了广泛关注。近年来，对高迁移率有机半导体材料、薄膜物理和器件工程等相关方面的研究有了快速发展，使OTFTs的迁移率、开关电流比等性能已达到或超过同类非晶硅（α-Si∶H）器件的水平。这实现了在平板显示驱动电路中应用，以及在低成本便捷型记忆元件（身份识别卡、商品价格签）等方面的应用。

关键词：薄膜晶体管;有机半导体;显示

中图分类号：TN304                  文献标志码：A

0 引言

有机薄膜晶体管（OTFTs），也称有机场效应晶体管，具有大致可分为3个时期的研究历史：萌芽期（1986年～1993年），主要是针对有机半导体材料材料性质和器件的工作机理进行的初步探究;成熟期（1993年～1997年），技术焦点主要集中在材料薄膜形态控制、载流子传输机理、器件结构和制备技术等方面的探究;持续发展期（1997年至今），研究热点在于新型有机半导体材料的开发、单晶有机器件和集成器件的研究以及薄膜形态控制的持续研究。

场效应迁移率是有机薄膜晶体管的重要参数，其物理意义在于：描述在电场作用下，沟道有限区内载流子的运动情况。其大小综合了器件的结构设计、有源层种类、薄膜形态和质量，甚至是栅极绝缘层、源/漏电极等均构成影响因素，主要影响到TFT器件的工作频率。OTFTs基本原理是通过在栅极上施加电压来调节源极和漏极之间的导电沟道中的电荷载流子的浓度。当半导体层和绝缘层界面处可以出现空穴沟道层时，而形成较大的空穴电流，即为P型OTFT;与之对应，而当界面出现电子层时，而形成的电子电流，即为n型OTFT。影响双极晶体管频率响应特性最主要的因素是少数载流子通过基区的时间。迁移率越高，所需传输时间越短，晶体管的截止频率与基区材料的载流子迁移率成正比。通过提高载流子迁移率，可以提高器件的再留能力，从而提高晶体管的开关速度。

1 OTFTs关键技术分析

OTFTs 器件通常由栅极、有机有源层、绝缘层、源/漏电极构成，所以发明专利对有机薄膜晶体管迁移率的提高也着眼于这些结构特征，延伸及这些结构的组成材料、制备方法、预处理、后处理等。

针对有机半导体层（也常称作有源层或沟道层）的改进，是高迁移率有机薄膜晶体管专利申请中最主要的部分，占比高达72 %，这个现象不难理解，有机半导体层是OTFT的核心结构，高迁移率的有机半导体层是高迁移率OTFT的保证;针对整体结构的改进占申请总量的10 %，主要涉及各结构之间的界面层/中间层的设置、决定有机半导体层分子取向的取向层以及源漏的修饰层/改性层的设置等;此外，在高迁移率有机薄膜晶体管中，栅极绝缘层的改进也占据了重要的地位，占申请总量的8 %，主要集中于栅极绝缘层材料的改进。

针对有机半导体层进行改进的发明专利，主要集中在材料、材料、制备方法、结构预处理、后处理。其中，有机半导体材料的改进占比最重，这也与近年来高迁移率有机薄膜晶体管材料一直是该领域的研究热点相呼应;新型高迁移率有机半导体材料占据有机半导体材料的改进的主要地位，高达97 %，复合材料的制备（注入石墨烯、碳纳米管、金属离子等在有机材料的掺入）占2 %，此外，还涉及将有机半导体层的材料设置为各处不同以提高迁移率的技术内容。

2 中国大陆申请技术形势

2.1 中国大陆申请申请人分析

笔者对中国大陆申请人专利申请进行了排序，表1中，中国科学院长春应用化学研究所申请量最多，主要集中于有机半导体材料的改进，一般是新的有机材料的提出;电子科技大学，主要集中于OTFT的结构改进;北京交通大学，均涉及OTFT的结构改进，中国中化股份有限公司沈阳化工研究院有限公司，均涉及有机半导体材料改进。由上述内容可以看出，国内对高迁移率OTFT的研究，重要集中于科研院所。

2.2 中国大陆申请关键技术分支

作者對在专利库中检索得到数据的中国大陆申请人专利申请进行了技术划分，半导体层的改进仍是占比最大的技术分支，达42%;结构改进占比30%;栅极绝缘层的改进占比7%;与LCD等显示部分配合占比5%。国内申请技术分支与全球申请技术划分比较一致，半导体层的改进仍是占比最大的技术分支，但国内申请半导体层的改进和对OTFTs结构的改进所占权重明显有所不同，相比全球申请，国内申请人更注重结构改进对OTFTs迁移率的提升。

2.3 重要专利技术细分

该文通过对各专利文献在CNABS数据库中的“同族被引证次数”的统计，得到39篇关键技术专利申请，将引证次数大于等于20定义为重要专利，其中涉及有源层材料改进的由23篇，结构改进的为7篇，栅极绝缘层的结构/材料改进的有5篇，源漏极修饰的有1篇，OTFT制备方法改进的有2篇。针对同族被引证次数大于100的专利申请进行了详细解读，技术分支主要涉及有机半导体材料改进、OTFT制作方法、OTFT结构改变及栅极绝缘层结构设计4个方面。

3 结语

通过上述分析可知，高迁移率有机薄膜晶体管申请国家和地区主要集中在日本、韩国、美国、欧洲和中国。相关领域的主要申请人也主要集中在这几个国家和地区，特别是日本和美国。国内申请人多为高校和科研院所。从技术发展上来看，目前国内外申请人在有机半导体材料迁移率的提高上的专利申请量最多，薄膜晶体管结构、制作方法、栅极绝缘层的改进也是提高OTFTs迁移率的重要方面，该领域的 “重要专利”在上述4个方面也均有所涉及。

参考文献

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