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        有機場效應晶體管專利技術綜述

        2020-06-08 17:18:53齊哲
        中國電氣工程學報 2020年1期

        齊哲

        摘要:自2000年諾貝爾化學獎頒給了有機半導體之后,有機電子學成為了研究熱點。作為有機電子學的重要分支,有機場效應晶體管技術取得了長足的進步,并開始從實驗室走向商業(yè)化。本文從專利的角度,分析了有機場效應晶體管專利技術的全球和國內的發(fā)展態(tài)勢,從申請人、申請國家、年度變化趨勢、技術分支等方面進行了具體的闡釋,為有機場效應晶體管的專利布局提供幫助。

        關鍵詞:有機場效應晶體管, 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物,人們很難把有機物和半導體聯(lián)系在一起,因為在人們的印象中,有機物只能是絕緣體。1977年,三位科學家白川英樹、麥克德米來德、黑格爾在偶然的條件下發(fā)現(xiàn)了導電聚乙炔,從而拉開了研究有機導體/半導體的帷幕,并誕生了基于有機半導體材料的一門新興學科-有機電子學,由于后來有機電子學的蓬勃發(fā)展,三位科學家獲得了2000的諾貝爾化學獎[1]。

        有機電子學主要包括三個分支,分別是有機場效應晶體管(OFET)、有機發(fā)光二極管(OLED)、有機太陽能電池(OSC)[2]。圖1顯示了OFET的基本器件結構和實物圖,可見其與非晶硅薄膜晶體管的結構類似,主要的區(qū)別在于其半導體溝道層采用了有機分子。

        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。與無機材料相比,有機材料在低成本、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晶體管或者開辟新的應用領域。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、射頻標簽(RFID)、存儲器、有源矩陣顯示、化學/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正在從實驗室走向產(chǎn)業(yè)界,很多跨國公司都陸續(xù)展開了相關的研究工作和產(chǎn)業(yè)化進程,目前OFET領域已經(jīng)實現(xiàn)了部分商業(yè)化應用,預計到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年預計可達到100億美元的市場規(guī)模,OFET已經(jīng)成為科學界和產(chǎn)業(yè)界關注的熱點領域[10]。

        二、專利申請趨勢分析

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

        2.1 ?全球專利分析

        2.1.1 ?主要申請人所屬國家分布

        圖3顯示了OFET領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)、有機化學非常發(fā)達;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%,是該領域的絕對主力;除了經(jīng)濟原因,中國近年來對前沿領域不斷加大支持力度,美國是晶體管和半導體產(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,申請量達到843件,占7.2%,這主要是由于鴻海、臺機電等知名企業(yè)的貢獻。

        圖4顯示了全球前10位申請人的申請量比例,因為晶體管是最基本的電子元器件,并且OFET屬于電子、材料、物理、化學以及生物的交叉領域,因此相關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,因為三井、住友和富士的化學合成技術十分領先,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,因為海洋王對OLED投入了大量的研發(fā)資源,作為OLED的控制單元OFET也是海洋王十分關注的領域,劍橋顯示是依托于劍橋大學卡文迪許實驗室的企業(yè),得益于本領域的先驅者Henning Sirringhaus教授帶領的有機電子學團隊,劍橋成為世界上OFET技術的重要原創(chuàng)地之一,中科院化學所作為中國的高校/研究所代表排在了第10名,化學所的有機固體實驗室在錢人元院士、朱道本院士的帶領下,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,受到了國內外同行的關注。

        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還未給予足夠的關注;從2000之后到2008年,申請量出現(xiàn)顯著上升,OFET進入了快速發(fā)展時期,這一階段由于分子設計和器件工藝的進步,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)濟危機的原因,而后申請量又呈現(xiàn)快速增長趨勢,并在2013年達到峰值,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科加大資金和政策支持有關。

        2.1.3 ?全球專利IPC分布

        圖6是全球專利申請IPC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領域多學科交叉有關。由圖6可知,OFET技術的應用領域主要分類為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體聚噻吩,H01L涉及半導體器件,其下位點組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于工藝和材料的技術,另一個下位點組H01L29/786,主要涉及薄膜場效應晶體管,占13.3%,由于有機分子的特點,大多數(shù)有機場效應晶體管為薄膜晶體管。

        2.2 ?國內專利分析

        2.2.1 ?各國專利申請進入中國的情況

        圖7顯示了在各國的專利申請進入中國的情況。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顯示了國內前10位申請人的申請量比例,由圖8可知,與全球專利類似,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、中科院化學所、微電子所、南京郵電大學,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相關技術,其研究并不是針對OFET器件本身的基礎性研究,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年才開始申請相關專利,且第一年就申請了120件,說明海洋王對OFET關注較晚但是跟進力度很大,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)展方向轉移以及經(jīng)營狀況有關。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達到峰值,并且保持著較高的申請量。巴斯夫、中科院化學所、住友較為相似,都是在2004開始進行相關專利申請且波動不大,不同的地方是2010年之后,巴斯夫、化學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,而化學所則快速增長并在2015年達到第二個峰值,這和中國正在大力推動基礎和前沿科學的研究不無關系,先導項目和創(chuàng)新2020計劃的實施為前沿科學注入新的活力。

        2.2.3 ?國內專利IPC分布

        圖10是國內專利申請IPC分布圖,可以看出,與全球專利申請的IPC相同的是,H01L51/00及其下位點組是較多出現(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,代表分子設計、有機化學的相關技術,說明中國申請相對于器件結構和工藝方面的技術來說,分子設計上的申請占較大比重。

        2.3 ?小結

        OFET領域自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。全球層面,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/化工巨頭或者是跨國公司的化學部門對OFET技術的發(fā)展起到了重要作用,由于OFET技術源于高校,偏向基礎研究,并且存在多學科交叉,因此高校/研究所是很多重要技術的誕生地,在OFET發(fā)展中扮演著重要角色。國內層面,主要有德國、日本、韓國、美國的專利申請進入中國,中國占據(jù)第一位,但并未具有絕對優(yōu)勢,中國的研究機構較為集中在高校/研究所,國內企業(yè)的關注度還不夠,技術和產(chǎn)業(yè)化方面較為落后。

        三、總結

        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正在成為無機晶體管的有力替代者,并且在新的領域比如柔性顯示、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專利技術的分析,使我們從專利的角度認識了OFET技術的發(fā)展情況,以及國內國外的技術特點和差距,希望能夠幫助國內企業(yè)和研究機構更合理地進行相關技術的專利布局和開發(fā)研究。

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