高遷移率有機薄膜晶體管專利申請關鍵技術分析

張虹

摘? 要：有機薄膜晶體管使用有機半導體材料為有源層，通過改變外加電場來控制有源層的導電性。與傳統的無機場效應晶體管相比，它具有造價低廉、可大面積加工、可與柔性基底集成等優點，在世界電子器件領域引起了廣泛關注。近年來，對高遷移率有機半導體材料、薄膜物理和器件工程等相關方面的研究有了快速發展，使OTFTs的遷移率、開關電流比等性能已達到或超過同類非晶硅（α-Si∶H）器件的水平。這實現了在平板顯示驅動電路中應用，以及在低成本便捷型記憶元件（身份識別卡、商品價格簽）等方面的應用。

關鍵詞：薄膜晶體管;有機半導體;顯示

中圖分類號：TN304? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

有機薄膜晶體管（OTFTs），也稱有機場效應晶體管，具有大致可分為3個時期的研究歷史：萌芽期（1986年～1993年），主要是針對有機半導體材料材料性質和器件的工作機理進行的初步探究;成熟期（1993年～1997年），技術焦點主要集中在材料薄膜形態控制、載流子傳輸機理、器件結構和制備技術等方面的探究;持續發展期（1997年至今），研究熱點在于新型有機半導體材料的開發、單晶有機器件和集成器件的研究以及薄膜形態控制的持續研究。

場效應遷移率是有機薄膜晶體管的重要參數，其物理意義在于：描述在電場作用下，溝道有限區內載流子的運動情況。其大小綜合了器件的結構設計、有源層種類、薄膜形態和質量，甚至是柵極絕緣層、源/漏電極等均構成影響因素，主要影響到TFT器件的工作頻率。OTFTs基本原理是通過在柵極上施加電壓來調節源極和漏極之間的導電溝道中的電荷載流子的濃度。當半導體層和絕緣層界面處可以出現空穴溝道層時，而形成較大的空穴電流，即為P型OTFT;與之對應，而當界面出現電子層時，而形成的電子電流，即為n型OTFT。影響雙極晶體管頻率響應特性最主要的因素是少數載流子通過基區的時間。遷移率越高，所需傳輸時間越短，晶體管的截止頻率與基區材料的載流子遷移率成正比。通過提高載流子遷移率，可以提高器件的再留能力，從而提高晶體管的開關速度。

1 OTFTs關鍵技術分析

OTFTs 器件通常由柵極、有機有源層、絕緣層、源/漏電極構成，所以發明專利對有機薄膜晶體管遷移率的提高也著眼于這些結構特征，延伸及這些結構的組成材料、制備方法、預處理、后處理等。

針對有機半導體層（也常稱作有源層或溝道層）的改進，是高遷移率有機薄膜晶體管專利申請中最主要的部分，占比高達72 %，這個現象不難理解，有機半導體層是OTFT的核心結構，高遷移率的有機半導體層是高遷移率OTFT的保證;針對整體結構的改進占申請總量的10 %，主要涉及各結構之間的界面層/中間層的設置、決定有機半導體層分子取向的取向層以及源漏的修飾層/改性層的設置等;此外，在高遷移率有機薄膜晶體管中，柵極絕緣層的改進也占據了重要的地位，占申請總量的8 %，主要集中于柵極絕緣層材料的改進。

針對有機半導體層進行改進的發明專利，主要集中在材料、材料、制備方法、結構預處理、后處理。其中，有機半導體材料的改進占比最重，這也與近年來高遷移率有機薄膜晶體管材料一直是該領域的研究熱點相呼應;新型高遷移率有機半導體材料占據有機半導體材料的改進的主要地位，高達97 %，復合材料的制備（注入石墨烯、碳納米管、金屬離子等在有機材料的摻入）占2 %，此外，還涉及將有機半導體層的材料設置為各處不同以提高遷移率的技術內容。

2 中國大陸申請技術形勢

2.1 中國大陸申請申請人分析

筆者對中國大陸申請人專利申請進行了排序，表1中，中國科學院長春應用化學研究所申請量最多，主要集中于有機半導體材料的改進，一般是新的有機材料的提出;電子科技大學，主要集中于OTFT的結構改進;北京交通大學，均涉及OTFT的結構改進，中國中化股份有限公司沈陽化工研究院有限公司，均涉及有機半導體材料改進。由上述內容可以看出，國內對高遷移率OTFT的研究，重要集中于科研院所。

2.2 中國大陸申請關鍵技術分支

作者對在專利庫中檢索得到數據的中國大陸申請人專利申請進行了技術劃分，半導體層的改進仍是占比最大的技術分支，達42%;結構改進占比30%;柵極絕緣層的改進占比7%;與LCD等顯示部分配合占比5%。國內申請技術分支與全球申請技術劃分比較一致，半導體層的改進仍是占比最大的技術分支，但國內申請半導體層的改進和對OTFTs結構的改進所占權重明顯有所不同，相比全球申請，國內申請人更注重結構改進對OTFTs遷移率的提升。

2.3 重要專利技術細分

該文通過對各專利文獻在CNABS數據庫中的“同族被引證次數”的統計，得到39篇關鍵技術專利申請，將引證次數大于等于20定義為重要專利，其中涉及有源層材料改進的由23篇，結構改進的為7篇，柵極絕緣層的結構/材料改進的有5篇，源漏極修飾的有1篇，OTFT制備方法改進的有2篇。針對同族被引證次數大于100的專利申請進行了詳細解讀，技術分支主要涉及有機半導體材料改進、OTFT制作方法、OTFT結構改變及柵極絕緣層結構設計4個方面。

3 結語

通過上述分析可知，高遷移率有機薄膜晶體管申請國家和地區主要集中在日本、韓國、美國、歐洲和中國。相關領域的主要申請人也主要集中在這幾個國家和地區，特別是日本和美國。國內申請人多為高校和科研院所。從技術發展上來看，目前國內外申請人在有機半導體材料遷移率的提高上的專利申請量最多，薄膜晶體管結構、制作方法、柵極絕緣層的改進也是提高OTFTs遷移率的重要方面，該領域的 “重要專利”在上述4個方面也均有所涉及。

參考文獻

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