有机场效应晶体管专利技术综述

齐哲

摘要：自2000年诺贝尔化学奖颁给了有机半导体之后，有机电子学成为了研究热点。作为有机电子学的重要分支，有机场效应晶体管技术取得了长足的进步，并开始从实验室走向商业化。本文从专利的角度，分析了有機场效应晶体管专利技术的全球和国内的发展态势，从申请人、申请国家、年度变化趋势、技术分支等方面进行了具体的阐释，为有机场效应晶体管的专利布局提供帮助。

关键词：有机场效应晶体管， 专利， 申请人， 申请量， IPC

一、概述

1.1  背景介绍

提起半导体，我们可能会想到锗、硅以及砷化镓、锑化铟这类材料，它们都是典型的无机物，人们很难把有机物和半导体联系在一起，因为在人们的印象中，有机物只能是绝缘体。1977年，三位科学家白川英树、麦克德米来德、黑格尔在偶然的条件下发现了导电聚乙炔，从而拉开了研究有机导体/半导体的帷幕，并诞生了基于有机半导体材料的一门新兴学科-有机电子学，由于后来有机电子学的蓬勃发展，三位科学家获得了2000的诺贝尔化学奖[1]。

有机电子学主要包括三个分支，分别是有机场效应晶体管（OFET）、有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池（OSC）[2]。图1显示了OFET的基本器件结构和实物图，可见其与非晶硅薄膜晶体管的结构类似，主要的区别在于其半导体沟道层采用了有机分子。

在1986年Tsumura等人首次报道了OFET以来，OFET的研究获得了飞速的发展。与无机材料相比，有机材料在低成本、大面积、柔性电路方面具有很多固有的优势，比如可以使用印刷的方式进行大面积的制备，可以沉积到柔性衬底制备柔性器件[4]，因此OFET在很多方面可以替代无机晶体管或者开辟新的应用领域。目前，OFET的迁移率已经超过非晶硅器件甚至可以比拟多晶硅器件，在电子纸、射频标签（RFID）、存储器、有源矩阵显示、化学/生物传感器以及电子皮肤等方面展现了迷人的魅力[5-8]。

来自世界各国的科学家对OFET展开了深入的研究，随着OFET研究的不断突破，OFET正在从实验室走向产业界，很多跨国公司都陆续展开了相关的研究工作和产业化进程，目前OFET领域已经实现了部分商业化应用，预计到2020年，OFET可以占到整个晶体管市场6%的份额，而基于OFET控制的柔性AMOLED显示器在2020年预计可达到100亿美元的市场规模，OFET已经成为科学界和产业界关注的热点领域[10]。

二、专利申请趋势分析

为了了解OFET的发展现状，结合自己的审查经验，通过相关的关键词和分类号的限定，在DWPI、SIPOABS以及CPRSABS数据库进行检索，采用适当的检索策略确保检索的全面性及准确性，并采用S系统统计命令和Excel数据分析对该领域的全球专利申请数据和中国专利申请数据进行统计分析。

2.1  全球专利分析

2.1.1  主要申请人所属国家分布

图3显示了OFET领域的主要申请国的分布。由图3可知，作为OFET的起源国日本占据第一位，申请量为2535件，占22%，日本能够占据头把交椅得益于日本的电子业、有机化学非常发达;中国、美国、韩国、欧洲分别占据了2-5名的位置，上述国家和地区也是世界上经济最为活跃的地区，前5名的申请量为9499件，占到了82%，是该领域的绝对主力;除了经济原因，中国近年来对前沿领域不断加大支持力度，美国是晶体管和半导体产业的起源国，韩国拥有三星、LG等电子业巨头，也是上述国家排名靠前的重要原因;值得一提的是，中国台湾地区排到了第6名，申请量达到843件，占7.2%，这主要是由于鸿海、台机电等知名企业的贡献。

图4显示了全球前10位申请人的申请量比例，因为晶体管是最基本的电子元器件，并且OFET属于电子、材料、物理、化学以及生物的交叉领域，因此相关的上游和下游公司众多，申请人分布较为分散。由图4可知，三井公司作为日本公司的代表占据全球申请人的第一名，达到9.6%，紧随其后的是来自德国的默克公司，该公司长期致力于先进功能材料的研究，而同样来自日本的住友和富士公司排到了第3名和第6名，因为三井、住友和富士的化学合成技术十分领先，对于研发新功能材料具有优势，作为中国企业的代表海洋王公司排到了第4名，因为海洋王对OLED投入了大量的研发资源，作为OLED的控制单元OFET也是海洋王十分关注的领域，剑桥显示是依托于剑桥大学卡文迪许实验室的企业，得益于本领域的先驱者Henning Sirringhaus教授带领的有机电子学团队，剑桥成为世界上OFET技术的重要原创地之一，中科院化学所作为中国的高校/研究所代表排在了第10名，化学所的有机固体实验室在钱人元院士、朱道本院士的带领下，很早就开展了OFET的研究，很多研究成果发表在了国际顶级期刊，受到了国内外同行的关注。

2.1.2  申请量的年分布

图5 显示了OFET的年度申请量变化趋势图。从全球申请量变化曲线可以看出，自1986年起一直到2000年，OFET的申请量都很低，这一阶段OFET的研究处在萌芽期，人

们对于OFET还未给予足够的关注;从2000之后到2008年，申请量出现显著上升，OFET进入了快速发展时期，这一阶段由于分子设计和器件工艺的进步，OFET的器件性能已经能够赶超非晶硅器件，2009-2011年申请量出现了波动，增长速度显著放缓甚至在2009年出现小幅下降，这很可能是由于国际经济危机的原因，而后申请量又呈现快速增长趋势，并在2013年达到峰值，2014、2015年出现了小幅下降，但申请量保持着比较高的水平，2018年由于公布延后的原因，不具有参考价值。国内申请的变化趋势和全球类似，并且同样在2013年出现峰值，值得注意的是，2010之后，中国申请占据了全球年申请量的一半以上，说明中国成为OFET技术发展的生力军和重要专利布局的市场，这也和近年来中国对于前沿学科加大资金和政策支持有关。

2.1.3  全球专利IPC分布

图6是全球专利申请IPC分布图，可以看出申请号分布较为分散，前10个分类号才占据了68.4%，这和OFET领域多学科交叉有关。由图6可知，OFET技术的应用领域主要分类为H01L、H05B、C08G等，其中， H05B涉及电照明，比如电致发光光源OLED，C08G涉及用碳-碳不饱和键以外的反应得到的高分子化合物，具体可以是在高分子主链上含有碳原子以外原子的高分子化合物，比如常见的高分子半导体聚噻吩，H01L涉及半导体器件，其下位点组H01L51/40、H01L51/05、H01L51/30涉及含电位跃变势垒的器件，以及制造这些器件的方法和材料的选择，分别占到14.5%、11.7%、7.5%，上述分类号涵盖了关于工艺和材料的技术，另一个下位点组H01L29/786，主要涉及薄膜场效应晶体管，占13.3%，由于有机分子的特点，大多数有机场效应晶体管为薄膜晶体管。

2.2  国内专利分析

2.2.1  各国专利申请进入中国的情况

图7显示了在各国的专利申请进入中国的情况。由图可知，中国占据第一位，这和本国申请人优先布局本国的一般规律一致，除中国外，德国、日本、韩国、美国分列2-5名，值得注意的是，中国申请人并没有占据绝对优势，只占到38.4%，还不到总量的一半，而德国、日本、韩国、美国占到55.7%，这是由于在OFET领域中国的研发主要集中在了少数高校和研究所，而国内公司的研究起步很晚，专利布局还尚显薄弱，而另一方面，国外申请人对于中国市场十分重视，对OFET在中国的发展前景持积极态度。

图8显示了国内前10位申请人的申请量比例，由图8可知，与全球专利类似，申请人的分布较为分散，前10名的申请人也仅仅占到了64%。前10名中，海洋王、默克较为突出，分别占到26%、17%，位列榜首和次席，而后面的申请人则下降到4%以下，值得注意的是，位列全球第一位的三井公司没有进入前10名，可见三井对中国的专利布局并不多，而中国申请人的代表包括海洋王、中科院化学所、微电子所、南京邮电大学，除了

海洋王是企业之外，其它全部为高校或研究所，并且海洋王的研究主要集中在了OLED相关技术，其研究并不是针对OFET器件本身的基础性研究，说明OFET在中国的产业化程度较低，企业的研发力度还不足。

2.2.2  主要申请人申请量的年分布

图9显示了主要申请人的年申请量变化趋势图。海洋王的申请波动较大，且非常集中，海洋王在2010年才开始申请相关专利，且第一年就申请了120件，说明海洋王对OFET关注较晚但是跟进力度很大，投入了大量的人力和资金，然而另一方面申请仅仅集中在2010-2013年，2014年之后就没有再申请，这可能和公司的发展方向转移以及经营状况有关。默克公司早在2002就来华布局，2008年前发展缓慢并且出现小幅下降，2009以后，申请量快速增加，到2011达到峰值，并且保持着较高的申请量。巴斯夫、中科院化学所、住友较为相似，都是在2004开始进行相关专利申请且波动不大，不同的地方是2010年之后，巴斯夫、化学所的申请量有了一定的上涨，而住友的申请量在缓慢下降，而2014年之后，巴斯夫、住友两家外国公司申请量都降到5件以下，而化学所则快速增长并在2015年达到第二个峰值，这和中国正在大力推动基础和前沿科学的研究不无关系，先导项目和创新2020计划的实施为前沿科学注入新的活力。

2.2.3  国内专利IPC分布

图10是国内专利申请IPC分布图，可以看出，与全球专利申请的IPC相同的是，H01L51/00及其下位点组是较多出现的分类号，不同的是C08G61/12、C09K11/06排到了前两名，两个分类号涉及高分子材料和发光材料，代表分子设计、有机化学的相关技术，说明中国申请相对于器件结构和工艺方面的技术来说，分子设计上的申请占较大比重。

2.3  小结

OFET领域自2001年以来得到了快速发展，专利申请量总体呈现不断上升趋势。全球层面，日本、中国、美国、韩国、欧洲为主要申请国家和地区，尤其以技术原创国日本为首。主要的申请人包括三井、默克、住友、海洋王、LG等公司，且分布较为分散，并未呈现垄断现象，由于OFET涉及新功能材料的合成，因此不仅仅是电子业公司，诸多化学/化工巨头或者是跨国公司的化学部门对OFET技术的发展起到了重要作用，由于OFET技术源于高校，偏向基础研究，并且存在多学科交叉，因此高校/研究所是很多重要技术的诞生地，在OFET发展中扮演着重要角色。国内层面，主要有德国、日本、韩国、美国的专利申请进入中国，中国占据第一位，但并未具有绝对优势，中国的研究机构较为集中在高校/研究所，国内企业的关注度还不够，技术和产业化方面较为落后。

三、总结

从第一个OFET至今，OFET的迁移率已经从10-4cm2V-1s-2发展到10的数量级，人们最初的目标是能够比拟非晶硅0.1的迁移率才会有商业开发价值，而现在早已超越了这个目标并且正在比肩多晶硅的水平，另一方面N型材料从无到有再到能够比拟P型材料，有机CMOS器件和电路得到了迅速发展，在很多方面OFET正在成为无机晶体管的有力替代者，并且在新的领域比如柔性显示、生化传感、电子皮肤等方面发挥了不可替代的作用。通过OFET专利技术的分析，使我们从专利的角度认识了OFET技术的发展情况，以及国内国外的技术特点和差距，希望能够帮助国内企业和研究机构更合理地进行相关技术的专利布局和开发研究。

参考文献：

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