顯示技術迎來革命性突破！高遷移率垂直TFT實現OLED垂直集成

CINNO Research產業資訊，在消費電子、虛擬現實、醫療顯示等領域對超高分辨率屏幕需求持續爆發的當下，傳統顯示技術的性能瓶頸日益凸顯。近日，韓國高麗大學與印度薩維塔大學的聯合研究團隊在《Chemical Engineering Journal》期刊上發表了一項重磅研究成果，成功研發出一種基于高遷移率垂直薄膜晶體管（VTFT，Vertical TFT）的OLED垂直集成架構。該技術通過材料創新、界面工程與工藝優化的協同突破，徹底解決了傳統平面TFT在通道縮放、集成密度和驅動性能上的核心局限，為下一代超高分辨率、低功耗、柔性顯示技術的發展提供了核心解決方案，有望引發顯示行業的技術變革。

行業痛點亟待破解，傳統技術遭遇發展天花板

隨著顯示技術向超高清、微顯示、柔性化方向快速演進，超高分辨率OLED顯示器對驅動背板的性能提出了前所未有的嚴苛要求。理想的顯示背板需要同時具備高場效應遷移率、低閾值電壓、陡峭亞閾值擺幅和卓越的可擴展性，才能精準控制每個像素的發光強度與響應速度，滿足終端產品對畫質和體驗的極致追求。

長期以來，基于銦鎵鋅氧化物（IGZO）等非晶或多晶氧化物半導體的平面TFT，憑借其均勻的電學特性、優異的光學透明性和低溫工藝兼容性，成為OLED顯示背板的主流選擇，廣泛應用于智能手機、電視、平板電腦等終端產品。然而，隨著像素密度不斷突破每英寸600像素（PPI）甚至更高，平面 TFT 的固有缺陷逐漸暴露，成為制約技術升級的關鍵瓶頸：

平面TFT采用橫向電流傳輸架構，通道長度受限于光刻技術的物理極限，難以實現極致縮放。當通道長度縮短至亞微米級別時，會出現嚴重的短溝道效應，導致電流驅動能力下降、閾值電壓漂移、性能波動性增加等問題，直接影響顯示畫質的均勻性和穩定性。為突破光刻限制，傳統方案需采用復雜的多重曝光、自對準等先進工藝，不僅大幅增加了制造成本，還降低了生產良率和吞吐量，嚴重制約了超高分辨率顯示技術的商業化進程。

此外，平面TFT的橫向布局導致像素電路占位面積較大，難以在有限的像素間距內實現更高的孔徑比，限制了像素密度的進一步提升。同時，橫向結構的源漏極間距較大，寄生電阻和電容問題突出，影響了AMOLED電路的響應速度和功耗控制，難以滿足虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等新興應用對高刷新率、低功耗的需求。

在此背景下，VTFT憑借其獨特的垂直電流傳輸設計，成為替代傳統平面TFT的理想方案。VTFT將電流流動方向改為垂直于襯底，通過沉積的介電間隔層物理厚度定義通道長度，徹底擺脫了光刻分辨率對通道長度的束縛，在實現器件極致小型化的同時，還能有效提升集成密度并保持優異的電學性能。此外，垂直結構天然縮短了源漏極間距，具備更高的電流驅動能力，有助于緩解AMOLED電路中的寄生參數問題，為高分辨率像素驅動提供了更優解。

近年來，全球科研團隊和企業紛紛加大對VTFT技術的研發投入，但現有方案在載流子遷移率、界面穩定性、OLED集成兼容性等方面仍存在諸多不足，尚未實現商業化應用。

創新架構引領變革，多重技術突破實現性能飛躍

韓國高麗大學與印度薩維塔大學的聯合研究團隊推出的高性能VTFT架構，通過材料組合創新、界面工程優化和工藝革新，實現了電學性能與集成能力的雙重突破，其核心技術亮點可概括為以下五大創新：

雙層活性通道設計，構建高效載流子傳輸路徑

該VTFT架構創新采用銦鋅氧化物（IZO）與銦鎵鋅氧化物（IGZO）組成的雙層活性通道，形成異質結結構。IZO材料具有高電子遷移率特性，而IGZO則具備優異的電學穩定性，兩者的協同作用既保證了載流子的高效傳輸，又提升了器件的長期可靠性。研究表明，IZO與IGZO之間存在天然的導帶偏移（Conduction Band Offset），這種能量帶結構差異能夠促進載流子在異質界面處的聚集與限制，為后續準二維電子氣（q-2DEG）的形成奠定了基礎。

高k值間隔層精準控長，擺脫光刻技術依賴

研究團隊選用400納米厚的氧化鉿（HfO?）作為垂直間隔層，精準定義了垂直通道長度。HfO?不僅具備高介電常數（k值，約20-25），能夠有效增強柵極控制能力，還具有獨特的熱反應活性，在焦耳加熱作用下可實現氧空位的動態調控。與傳統平面TFT依賴光刻技術定義通道長度不同，該方案通過HfO?間隔層的物理厚度直接確定通道長度，無需先進光刻設備即可實現400納米的短溝道操作，大幅降低了工藝復雜度和制造成本。同時，HfO?間隔層還能有效隔離源漏電極，抑制漏電流，提升器件的開關特性。

脈沖焦耳加熱工藝，誘導準二維電子氣形成

為解決氧化物半導體中載流子散射嚴重、遷移率不足的問題，研究團隊創新引入了脈沖電壓誘導焦耳加熱工藝。該工藝通過在源漏電極間施加4V脈沖電壓，產生局部焦耳熱（溫度約 300℃），無需全局高溫退火即可實現雙重優化效果：

一方面，局部焦耳熱能夠在IZO/IGZO異質界面處精準生成氧空位，調節界面電子態密度；另一方面，能夠誘導形成準二維電子氣（q-2DEG）。q-2DEG作為一種高濃度自由電子通道，能夠將電子限制在狹窄的勢能阱中，有效抑制庫侖散射和聲子散射，同時增強載流子限制作用，從而顯著提升場效應遷移率。

與傳統的金屬催化摻雜、氧空位控制或氧化物半導體成分調諧等遷移率增強技術相比，q-2DEG通道具有獨特優勢：傳統技術雖能暫時提高載流子濃度，但往往會引入結構無序或亞穩態能隙態，導致器件長期可靠性下降；而q-2DEG基于異質界面的能帶偏移形成，既能實現高遷移率，又能保持器件穩定性，為氧化物 TFT 提供了兼具超高遷移率和優異工作可靠性的解決方案。

實驗數據顯示，通過脈沖焦耳加熱工藝誘導形成q-2DEG后，VTFT的場效應遷移率達到 18.41cm2V?1s?1，遠高于傳統IGZO平面TFT的6-10 cm2V?1s?1，甚至超過部分多晶氧化物 TFT的性能水平。同時，q-2DEG的形成還使器件的亞閾值擺幅降至400 mV/dec，開關電流比達到105~106，展現出優異的開關特性。

雙電介質層協同設計，兼顧性能與穩定性

為實現強柵極控制并保障器件長期可靠性，研究團隊采用了HfO?與Al?O?雙電介質層協同設計。其中，400納米厚的HfO?間隔層主要負責定義垂直通道長度，并利用其氧空位相關態在局部焦耳加熱下的可調節性，促進載流子注入和遷移；40納米厚的Al?O?柵極電介質通過原子層沉積（ALD）技術制備，具有高介電強度、低缺陷密度和優異的界面兼容性，能夠有效抑制漏電流并保障長期工作可靠性。

這種雙電介質策略避免了單一電介質材料在傳輸效率與穩定性之間的妥協，實現了器件高性能與高穩定性的平衡。實驗表明，該雙電介質結構使VTFT的漏電流控制在10-10A量級，在不同漏極電壓下的閾值電壓漂移小于0.1 V，展現出優異的電學穩定性。

OLED無縫集成架構，簡化工藝并提升像素密度

該VTFT架構的另一大創新在于與OLED的垂直集成設計：VTFT的頂部漏電極直接延伸作為 OLED 的陽極，無需額外的互連線路或復雜的平面金屬化工藝，不僅最大限度地降低了寄生電阻，還簡化了器件堆疊結構。為確保VTFT與OLED之間的可靠垂直集成，研究團隊采用 650納米厚的SU-8層作為層間電介質（ILD）進行表面平坦化處理，并通過通孔圖案暴露漏電極，實現了OLED與VTFT的精準連接。

這種垂直堆疊設計大幅減小了像素電路的占位面積，使VTFT的器件面積僅為4F2（F為最小特征尺寸），遠小于傳統平面頂柵TFT的10F2和自對準平面TFT的6F2。更小的占位面積能夠在相同像素間距下實現更高的孔徑比，為提升像素密度創造了條件。同時，鎢（W）柵電極的選用確保了強大的靜電控制和高效的電荷注入，為OLED的穩定發光提供了可靠保障。

此外，該集成架構還優化了OLED的多層堆疊結構：采用10納米厚的三氧化鉬（MoO?）作為空穴注入層（HIL），50納米厚的TAPC作為空穴傳輸層（HTL），25納米厚的mCP摻雜 8wt% FIrpic作為發光層（EML），50 納米厚的TPBi作為電子傳輸層（ETL），1納米厚的氟化鋰與鋁作為電子注入層，10納米厚的半透明銀作為陰極，并沉積60納米厚的DPPS封裝層增強光提取效率。通過有限時域差分法仿真優化，OLED的光提取效率顯著提升，發光均勻性良好。

性能驗證全面達標，為超高分辨率顯示提供可靠支撐

一系列系統的實驗測試證實，該VTFT-OLED垂直集成器件展現出優異的綜合性能，完全滿足超高分辨率顯示的應用需求：

在電學性能方面，該VTFT器件的場效應遷移率達到 18.41cm2V?1s?1，閾值電壓僅為0.19 V，亞閾值擺幅低至400mV/dec，開關電流比高達105~106，各項關鍵性能指標均優于傳統低溫氧化物TFT。輸出特性測試顯示，器件在漏極電壓為15V時，電流密度達到2.5 μA/μm，遠超AMOLED像素驅動的需求（約0.5 μA/μm），能夠為OLED提供充足的驅動電流，確保發光亮度的穩定性。

短溝道效應抑制方面，由于HfO?間隔層精準定義了通道長度，且垂直架構有效增強了柵極控制能力，器件的漏致閾值滾降低于4mV V?1，完全抑制了穿通現象，在400納米通道長度下仍保持優異的開關特性，展現出卓越的短溝道抑制能力。

可靠性測試顯示，該器件在三種典型應力條件下均表現出良好的穩定性：在60℃、20 V正偏壓溫度應力（PBTS）下，閾值電壓漂移僅為0.7 V；在20 V正偏壓光照應力（PBIS）下，閾值電壓漂移為1.2 V；在-20 V負偏壓光照應力（NBIS）下，閾值電壓漂移為-3.8 V。實驗結果表明，器件在實際工作環境中的長期穩定性良好，能夠滿足OLED顯示器的使用壽命要求。

OLED集成性能測試顯示，該垂直集成器件具有優異的發光控制能力。當柵極電壓超過5V 時，OLED開始發光；在10-15V柵極電壓范圍內，OLED電流達到20-45μA，完全滿足典型中小尺寸OLED像素在200-300 cd m?2亮度下的穩定驅動需求。同時，器件在高電壓下無明顯電流滾降現象，表明垂直通道結構具有良好的熱穩定性，電荷俘獲效應被有效抑制。發光均勻性測試顯示，OLED的發光強度變異系數小于5%，展現出優異的像素均勻性。

與以往報道的氧化物基VTFT相比，該器件在遷移率和亞閾值擺幅之間實現了更優的平衡。許多傳統器件往往犧牲一方以換取另一方的提升，而該研究通過垂直通道幾何設計、雙層氧化物半導體與高質量柵極絕緣體的協同作用，同時實現了高遷移率和低亞閾值擺幅，體現了高效的電荷傳輸和強大的靜電柵極控制能力。此外，該器件還具有良好的工藝兼容性和重復性，30個測試樣品的關鍵電學參數變異系數均小于10%，滿足大規模量產的需求。

產業化前景廣闊，引領顯示技術邁向新時代

該垂直集成VTFT-OLED架構具有四大核心競爭力：一是器件占位面積僅為4F2，能夠在相同像素間距下實現更高的孔徑比和像素密度，為超高清、微顯示等領域提供核心技術保障，有望實現亞微米像素間距的超高分辨率顯示；二是采用低溫工藝（最高溫度僅300℃）制備，兼容塑料、柔性聚合物等熱敏感襯底，為柔性顯示、可穿戴設備、折疊終端等新興應用場景提供了技術支撐；三是VTFT與OLED的無縫集成設計，簡化了器件堆疊結構，減少了互連層數和工藝步驟，有助于提升生產效率并降低制造成本；四是器件具備高遷移率、低功耗、高穩定性等優勢，能夠滿足VR/AR、8K超高清電視、醫療顯示等高端應用對高刷新率、高畫質、低功耗的需求。

研究團隊表示，目前已完成單個VTFT-OLED器件的概念驗證，后續將重點推進三大方向的研究：一是實現陣列級集成技術的開發，優化像素電路設計和互連方案，解決陣列化過程中的寄生參數問題；二是進一步優化工藝條件，降低制造成本，提升生產良率，為產業化量產奠定基礎；三是拓展材料體系，探索更高性能的氧化物半導體材料和電介質材料，進一步提升器件的遷移率、穩定性和發光效率。

此外，該技術還可與量子點、 Micro-LED等新型發光技術結合，開發出性能更優異的顯示器件，為顯示技術的持續創新提供通用平臺。業內專家指出，該研究通過材料創新、界面工程和工藝優化的協同作用，成功突破了傳統平面TFT的性能瓶頸，實現了VTFT與OLED的高效垂直集成，其開發的技術方案兼具高電學性能、小占位面積、簡化工藝和廣泛的襯底兼容性等多重優勢，有望成為下一代超高分辨率、低功耗、柔性AMOLED顯示技術的核心解決方案，推動顯示行業向更高分辨率、更優性能、更廣泛應用場景的方向邁進。

馬女士 Ms. Ceres

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