有機(jī)場效應(yīng)晶體管專利技術(shù)綜述

齊哲

摘要：自2000年諾貝爾化學(xué)獎頒給了有機(jī)半導(dǎo)體之后，有機(jī)電子學(xué)成為了研究熱點(diǎn)。作為有機(jī)電子學(xué)的重要分支，有機(jī)場效應(yīng)晶體管技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，并開始從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化。本文從專利的角度，分析了有機(jī)場效應(yīng)晶體管專利技術(shù)的全球和國內(nèi)的發(fā)展態(tài)勢，從申請人、申請國家、年度變化趨勢、技術(shù)分支等方面進(jìn)行了具體的闡釋，為有機(jī)場效應(yīng)晶體管的專利布局提供幫助。

關(guān)鍵詞：有機(jī)場效應(yīng)晶體管， 專利， 申請人， 申請量， IPC

一、概述

1.1 ?背景介紹

提起半導(dǎo)體，我們可能會想到鍺、硅以及砷化鎵、銻化銦這類材料，它們都是典型的無機(jī)物，人們很難把有機(jī)物和半導(dǎo)體聯(lián)系在一起，因?yàn)樵谌藗兊挠∠笾?，有機(jī)物只能是絕緣體。1977年，三位科學(xué)家白川英樹、麥克德米來德、黑格爾在偶然的條件下發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電聚乙炔，從而拉開了研究有機(jī)導(dǎo)體/半導(dǎo)體的帷幕，并誕生了基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的一門新興學(xué)科-有機(jī)電子學(xué)，由于后來有機(jī)電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，三位科學(xué)家獲得了2000的諾貝爾化學(xué)獎[1]。

有機(jī)電子學(xué)主要包括三個分支，分別是有機(jī)場效應(yīng)晶體管（OFET）、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、有機(jī)太陽能電池（OSC）[2]。圖1顯示了OFET的基本器件結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖，可見其與非晶硅薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)類似，主要的區(qū)別在于其半導(dǎo)體溝道層采用了有機(jī)分子。

在1986年Tsumura等人首次報道了OFET以來，OFET的研究獲得了飛速的發(fā)展。與無機(jī)材料相比，有機(jī)材料在低成本、大面積、柔性電路方面具有很多固有的優(yōu)勢，比如可以使用印刷的方式進(jìn)行大面積的制備，可以沉積到柔性襯底制備柔性器件[4]，因此OFET在很多方面可以替代無機(jī)晶體管或者開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，OFET的遷移率已經(jīng)超過非晶硅器件甚至可以比擬多晶硅器件，在電子紙、射頻標(biāo)簽（RFID）、存儲器、有源矩陣顯示、化學(xué)/生物傳感器以及電子皮膚等方面展現(xiàn)了迷人的魅力[5-8]。

來自世界各國的科學(xué)家對OFET展開了深入的研究，隨著OFET研究的不斷突破，OFET正在從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)界，很多跨國公司都陸續(xù)展開了相關(guān)的研究工作和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，目前OFET領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計到2020年，OFET可以占到整個晶體管市場6%的份額，而基于OFET控制的柔性AMOLED顯示器在2020年預(yù)計可達(dá)到100億美元的市場規(guī)模，OFET已經(jīng)成為科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域[10]。

二、專利申請趨勢分析

為了了解OFET的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合自己的審查經(jīng)驗(yàn)，通過相關(guān)的關(guān)鍵詞和分類號的限定，在DWPI、SIPOABS以及CPRSABS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，采用適當(dāng)?shù)臋z索策略確保檢索的全面性及準(zhǔn)確性，并采用S系統(tǒng)統(tǒng)計命令和Excel數(shù)據(jù)分析對該領(lǐng)域的全球?qū)＠暾垟?shù)據(jù)和中國專利申請數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.1 ?全球?qū)＠治?/p>

2.1.1 ?主要申請人所屬國家分布

圖3顯示了OFET領(lǐng)域的主要申請國的分布。由圖3可知，作為OFET的起源國日本占據(jù)第一位，申請量為2535件，占22%，日本能夠占據(jù)頭把交椅得益于日本的電子業(yè)、有機(jī)化學(xué)非常發(fā)達(dá);中國、美國、韓國、歐洲分別占據(jù)了2-5名的位置，上述國家和地區(qū)也是世界上經(jīng)濟(jì)最為活躍的地區(qū)，前5名的申請量為9499件，占到了82%，是該領(lǐng)域的絕對主力;除了經(jīng)濟(jì)原因，中國近年來對前沿領(lǐng)域不斷加大支持力度，美國是晶體管和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的起源國，韓國擁有三星、LG等電子業(yè)巨頭，也是上述國家排名靠前的重要原因;值得一提的是，中國臺灣地區(qū)排到了第6名，申請量達(dá)到843件，占7.2%，這主要是由于鴻海、臺機(jī)電等知名企業(yè)的貢獻(xiàn)。

圖4顯示了全球前10位申請人的申請量比例，因?yàn)榫w管是最基本的電子元器件，并且OFET屬于電子、材料、物理、化學(xué)以及生物的交叉領(lǐng)域，因此相關(guān)的上游和下游公司眾多，申請人分布較為分散。由圖4可知，三井公司作為日本公司的代表占據(jù)全球申請人的第一名，達(dá)到9.6%，緊隨其后的是來自德國的默克公司，該公司長期致力于先進(jìn)功能材料的研究，而同樣來自日本的住友和富士公司排到了第3名和第6名，因?yàn)槿⒆∮押透皇康幕瘜W(xué)合成技術(shù)十分領(lǐng)先，對于研發(fā)新功能材料具有優(yōu)勢，作為中國企業(yè)的代表海洋王公司排到了第4名，因?yàn)楹Ｑ笸鯇LED投入了大量的研發(fā)資源，作為OLED的控制單元OFET也是海洋王十分關(guān)注的領(lǐng)域，劍橋顯示是依托于劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的企業(yè)，得益于本領(lǐng)域的先驅(qū)者Henning Sirringhaus教授帶領(lǐng)的有機(jī)電子學(xué)團(tuán)隊，劍橋成為世界上OFET技術(shù)的重要原創(chuàng)地之一，中科院化學(xué)所作為中國的高校/研究所代表排在了第10名，化學(xué)所的有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室在錢人元院士、朱道本院士的帶領(lǐng)下，很早就開展了OFET的研究，很多研究成果發(fā)表在了國際頂級期刊，受到了國內(nèi)外同行的關(guān)注。

2.1.2 ?申請量的年分布

圖5 顯示了OFET的年度申請量變化趨勢圖。從全球申請量變化曲線可以看出，自1986年起一直到2000年，OFET的申請量都很低，這一階段OFET的研究處在萌芽期，人

們對于OFET還未給予足夠的關(guān)注;從2000之后到2008年，申請量出現(xiàn)顯著上升，OFET進(jìn)入了快速發(fā)展時期，這一階段由于分子設(shè)計和器件工藝的進(jìn)步，OFET的器件性能已經(jīng)能夠趕超非晶硅器件，2009-2011年申請量出現(xiàn)了波動，增長速度顯著放緩甚至在2009年出現(xiàn)小幅下降，這很可能是由于國際經(jīng)濟(jì)危機(jī)的原因，而后申請量又呈現(xiàn)快速增長趨勢，并在2013年達(dá)到峰值，2014、2015年出現(xiàn)了小幅下降，但申請量保持著比較高的水平，2018年由于公布延后的原因，不具有參考價值。國內(nèi)申請的變化趨勢和全球類似，并且同樣在2013年出現(xiàn)峰值，值得注意的是，2010之后，中國申請占據(jù)了全球年申請量的一半以上，說明中國成為OFET技術(shù)發(fā)展的生力軍和重要專利布局的市場，這也和近年來中國對于前沿學(xué)科加大資金和政策支持有關(guān)。

2.1.3 ?全球?qū)＠鸌PC分布

圖6是全球?qū)＠暾圛PC分布圖，可以看出申請?zhí)柗植驾^為分散，前10個分類號才占據(jù)了68.4%，這和OFET領(lǐng)域多學(xué)科交叉有關(guān)。由圖6可知，OFET技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要分類為H01L、H05B、C08G等，其中， H05B涉及電照明，比如電致發(fā)光光源OLED，C08G涉及用碳-碳不飽和鍵以外的反應(yīng)得到的高分子化合物，具體可以是在高分子主鏈上含有碳原子以外原子的高分子化合物，比如常見的高分子半導(dǎo)體聚噻吩，H01L涉及半導(dǎo)體器件，其下位點(diǎn)組H01L51/40、H01L51/05、H01L51/30涉及含電位躍變勢壘的器件，以及制造這些器件的方法和材料的選擇，分別占到14.5%、11.7%、7.5%，上述分類號涵蓋了關(guān)于工藝和材料的技術(shù)，另一個下位點(diǎn)組H01L29/786，主要涉及薄膜場效應(yīng)晶體管，占13.3%，由于有機(jī)分子的特點(diǎn)，大多數(shù)有機(jī)場效應(yīng)晶體管為薄膜晶體管。

2.2 ?國內(nèi)專利分析

2.2.1 ?各國專利申請進(jìn)入中國的情況

圖7顯示了在各國的專利申請進(jìn)入中國的情況。由圖可知，中國占據(jù)第一位，這和本國申請人優(yōu)先布局本國的一般規(guī)律一致，除中國外，德國、日本、韓國、美國分列2-5名，值得注意的是，中國申請人并沒有占據(jù)絕對優(yōu)勢，只占到38.4%，還不到總量的一半，而德國、日本、韓國、美國占到55.7%，這是由于在OFET領(lǐng)域中國的研發(fā)主要集中在了少數(shù)高校和研究所，而國內(nèi)公司的研究起步很晚，專利布局還尚顯薄弱，而另一方面，國外申請人對于中國市場十分重視，對OFET在中國的發(fā)展前景持積極態(tài)度。

圖8顯示了國內(nèi)前10位申請人的申請量比例，由圖8可知，與全球?qū)＠愃?，申請人的分布較為分散，前10名的申請人也僅僅占到了64%。前10名中，海洋王、默克較為突出，分別占到26%、17%，位列榜首和次席，而后面的申請人則下降到4%以下，值得注意的是，位列全球第一位的三井公司沒有進(jìn)入前10名，可見三井對中國的專利布局并不多，而中國申請人的代表包括海洋王、中科院化學(xué)所、微電子所、南京郵電大學(xué)，除了

海洋王是企業(yè)之外，其它全部為高?；蜓芯克?，并且海洋王的研究主要集中在了OLED相關(guān)技術(shù)，其研究并不是針對OFET器件本身的基礎(chǔ)性研究，說明OFET在中國的產(chǎn)業(yè)化程度較低，企業(yè)的研發(fā)力度還不足。

2.2.2 ?主要申請人申請量的年分布

圖9顯示了主要申請人的年申請量變化趨勢圖。海洋王的申請波動較大，且非常集中，海洋王在2010年才開始申請相關(guān)專利，且第一年就申請了120件，說明海洋王對OFET關(guān)注較晚但是跟進(jìn)力度很大，投入了大量的人力和資金，然而另一方面申請僅僅集中在2010-2013年，2014年之后就沒有再申請，這可能和公司的發(fā)展方向轉(zhuǎn)移以及經(jīng)營狀況有關(guān)。默克公司早在2002就來華布局，2008年前發(fā)展緩慢并且出現(xiàn)小幅下降，2009以后，申請量快速增加，到2011達(dá)到峰值，并且保持著較高的申請量。巴斯夫、中科院化學(xué)所、住友較為相似，都是在2004開始進(jìn)行相關(guān)專利申請且波動不大，不同的地方是2010年之后，巴斯夫、化學(xué)所的申請量有了一定的上漲，而住友的申請量在緩慢下降，而2014年之后，巴斯夫、住友兩家外國公司申請量都降到5件以下，而化學(xué)所則快速增長并在2015年達(dá)到第二個峰值，這和中國正在大力推動基礎(chǔ)和前沿科學(xué)的研究不無關(guān)系，先導(dǎo)項目和創(chuàng)新2020計劃的實(shí)施為前沿科學(xué)注入新的活力。

2.2.3 ?國內(nèi)專利IPC分布

圖10是國內(nèi)專利申請IPC分布圖，可以看出，與全球?qū)＠暾埖腎PC相同的是，H01L51/00及其下位點(diǎn)組是較多出現(xiàn)的分類號，不同的是C08G61/12、C09K11/06排到了前兩名，兩個分類號涉及高分子材料和發(fā)光材料，代表分子設(shè)計、有機(jī)化學(xué)的相關(guān)技術(shù)，說明中國申請相對于器件結(jié)構(gòu)和工藝方面的技術(shù)來說，分子設(shè)計上的申請占較大比重。

2.3 ?小結(jié)

OFET領(lǐng)域自2001年以來得到了快速發(fā)展，專利申請量總體呈現(xiàn)不斷上升趨勢。全球?qū)用?，日本、中國、美國、韓國、歐洲為主要申請國家和地區(qū)，尤其以技術(shù)原創(chuàng)國日本為首。主要的申請人包括三井、默克、住友、海洋王、LG等公司，且分布較為分散，并未呈現(xiàn)壟斷現(xiàn)象，由于OFET涉及新功能材料的合成，因此不僅僅是電子業(yè)公司，諸多化學(xué)/化工巨頭或者是跨國公司的化學(xué)部門對OFET技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用，由于OFET技術(shù)源于高校，偏向基礎(chǔ)研究，并且存在多學(xué)科交叉，因此高校/研究所是很多重要技術(shù)的誕生地，在OFET發(fā)展中扮演著重要角色。國內(nèi)層面，主要有德國、日本、韓國、美國的專利申請進(jìn)入中國，中國占據(jù)第一位，但并未具有絕對優(yōu)勢，中國的研究機(jī)構(gòu)較為集中在高校/研究所，國內(nèi)企業(yè)的關(guān)注度還不夠，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面較為落后。

三、總結(jié)

從第一個OFET至今，OFET的遷移率已經(jīng)從10-4cm2V-1s-2發(fā)展到10的數(shù)量級，人們最初的目標(biāo)是能夠比擬非晶硅0.1的遷移率才會有商業(yè)開發(fā)價值，而現(xiàn)在早已超越了這個目標(biāo)并且正在比肩多晶硅的水平，另一方面N型材料從無到有再到能夠比擬P型材料，有機(jī)CMOS器件和電路得到了迅速發(fā)展，在很多方面OFET正在成為無機(jī)晶體管的有力替代者，并且在新的領(lǐng)域比如柔性顯示、生化傳感、電子皮膚等方面發(fā)揮了不可替代的作用。通過OFET專利技術(shù)的分析，使我們從專利的角度認(rèn)識了OFET技術(shù)的發(fā)展情況，以及國內(nèi)國外的技術(shù)特點(diǎn)和差距，希望能夠幫助國內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)更合理地進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的專利布局和開發(fā)研究。

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