CINNO Research產業(yè)資訊，在消費電子、虛擬現實、醫(yī)療顯示等領域對超高分辨率屏幕需求持續(xù)爆發(fā)的當下，傳統(tǒng)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(lián)合研究團隊在《Chemical Engineering Journal》期刊上發(fā)表了一項重磅研究成果，成功研發(fā)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(chuàng)新、界面工程與工藝優(yōu)化的協(xié)同突破，徹底解決了傳統(tǒng)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(fā)展提供了核心解決方案，有望引發(fā)顯示行業(yè)的技術變革。

行業(yè)痛點亟待破解，傳統(tǒng)技術遭遇發(fā)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(fā)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(yōu)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(wěn)定性。為突破光刻限制，傳統(tǒng)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(yè)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(tǒng)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(yōu)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(yōu)解。

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

創(chuàng)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(lián)合研究團隊推出的高性能VTFT架構，通過材料組合創(chuàng)新、界面工程優(yōu)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(chuàng)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(chuàng)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(yōu)異的電學穩(wěn)定性，兩者的協(xié)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(xù)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(tài)調控。與傳統(tǒng)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(chuàng)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(yōu)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(jié)界面電子態(tài)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(tǒng)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(yōu)勢：傳統(tǒng)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(wěn)態(tài)能隙態(tài)，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(wěn)定性，為氧化物 TFT 提供了兼具超高遷移率和優(yōu)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(tǒng)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(yōu)異的開關特性。

雙電介質層協(xié)同設計，兼顧性能與穩(wěn)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(xié)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(tài)在局部焦耳加熱下的可調節(jié)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(yōu)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(wěn)定性之間的妥協(xié)，實現了器件高性能與高穩(wěn)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(yōu)異的電學穩(wěn)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(chuàng)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(tǒng)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(chuàng)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(wěn)定發(fā)光提供了可靠保障。

此外，該集成架構還優(yōu)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(fā)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(yōu)化，OLED的光提取效率顯著提升，發(fā)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(tǒng)的實驗測試證實，該VTFT-OLED垂直集成器件展現出優(yōu)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(yōu)于傳統(tǒng)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(fā)光亮度的穩(wěn)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(yōu)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(wěn)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(huán)境中的長期穩(wěn)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(yōu)異的發(fā)光控制能力。當柵極電壓超過5V 時，OLED開始發(fā)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(wěn)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(wěn)定性，電荷俘獲效應被有效抑制。發(fā)光均勻性測試顯示，OLED的發(fā)光強度變異系數小于5%，展現出優(yōu)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(yōu)的平衡。許多傳統(tǒng)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(xié)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(guī)模量產的需求。

產業(yè)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(wěn)定性等優(yōu)勢，能夠滿足VR/AR、8K超高清電視、醫(yī)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(xù)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(fā)，優(yōu)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(yōu)化工藝條件，降低制造成本，提升生產良率，為產業(yè)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(wěn)定性和發(fā)光效率。

此外，該技術還可與量子點、 Micro-LED等新型發(fā)光技術結合，開發(fā)出性能更優(yōu)異的顯示器件，為顯示技術的持續(xù)創(chuàng)新提供通用平臺。業(yè)內專家指出，該研究通過材料創(chuàng)新、界面工程和工藝優(yōu)化的協(xié)同作用，成功突破了傳統(tǒng)平面TFT的性能瓶頸，實現了VTFT與OLED的高效垂直集成，其開發(fā)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(yōu)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(yè)向更高分辨率、更優(yōu)性能、更廣泛應用場景的方向邁進。

馬女士 Ms. Ceres

TEL：（+86）137-7604-9049

Email：CeresMa@cinno.com.cn

CINNO 公眾號矩陣