CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，在消費(fèi)電子、虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療顯示等領(lǐng)域?qū)Τ叻直媛势聊恍枨蟪掷m(xù)爆發(fā)的當(dāng)下，傳統(tǒng)顯示技術(shù)的性能瓶頸日益凸顯。近日，韓國(guó)高麗大學(xué)與印度薩維塔大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在《Chemical Engineering Journal》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)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(gòu)。該技術(shù)通過(guò)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(qū)動(dòng)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(shù)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(shù)變革。

行業(yè)痛點(diǎn)亟待破解，傳統(tǒng)技術(shù)遭遇發(fā)展天花板

隨著顯示技術(shù)向超高清、微顯示、柔性化方向快速演進(jìn)，超高分辨率OLED顯示器對(duì)驅(qū)動(dòng)背板的性能提出了前所未有的嚴(yán)苛要求。理想的顯示背板需要同時(shí)具備高場(chǎng)效應(yīng)遷移率、低閾值電壓、陡峭亞閾值擺幅和卓越的可擴(kuò)展性，才能精準(zhǔn)控制每個(gè)像素的發(fā)光強(qiáng)度與響應(yīng)速度，滿足終端產(chǎn)品對(duì)畫(huà)質(zhì)和體驗(yàn)的極致追求。

長(zhǎng)期以來(lái)，基于銦鎵鋅氧化物（IGZO）等非晶或多晶氧化物半導(dǎo)體的平面TFT，憑借其均勻的電學(xué)特性、優(yōu)異的光學(xué)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(yīng)用于智能手機(jī)、電視、平板電腦等終端產(chǎn)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(shù)升級(jí)的關(guān)鍵瓶頸：

平面TFT采用橫向電流傳輸架構(gòu)，通道長(zhǎng)度受限于光刻技術(shù)的物理極限，難以實(shí)現(xiàn)極致縮放。當(dāng)通道長(zhǎng)度縮短至亞微米級(jí)別時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)，導(dǎo)致電流驅(qū)動(dòng)能力下降、閾值電壓漂移、性能波動(dòng)性增加等問(wèn)題，直接影響顯示畫(huà)質(zhì)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(fù)雜的多重曝光、自對(duì)準(zhǔn)等先進(jìn)工藝，不僅大幅增加了制造成本，還降低了生產(chǎn)良率和吞吐量，嚴(yán)重制約了超高分辨率顯示技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

此外，平面TFT的橫向布局導(dǎo)致像素電路占位面積較大，難以在有限的像素間距內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的孔徑比，限制了像素密度的進(jìn)一步提升。同時(shí)，橫向結(jié)構(gòu)的源漏極間距較大，寄生電阻和電容問(wèn)題突出，影響了AMOLED電路的響應(yīng)速度和功耗控制，難以滿足虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等新興應(yīng)用對(duì)高刷新率、低功耗的需求。

在此背景下，VTFT憑借其獨(dú)特的垂直電流傳輸設(shè)計(jì)，成為替代傳統(tǒng)平面TFT的理想方案。VTFT將電流流動(dòng)方向改為垂直于襯底，通過(guò)沉積的介電間隔層物理厚度定義通道長(zhǎng)度，徹底擺脫了光刻分辨率對(duì)通道長(zhǎng)度的束縛，在實(shí)現(xiàn)器件極致小型化的同時(shí)，還能有效提升集成密度并保持優(yōu)異的電學(xué)性能。此外，垂直結(jié)構(gòu)天然縮短了源漏極間距，具備更高的電流驅(qū)動(dòng)能力，有助于緩解AMOLED電路中的寄生參數(shù)問(wèn)題，為高分辨率像素驅(qū)動(dòng)提供了更優(yōu)解。

近年來(lái)，全球科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)紛紛加大對(duì)VTFT技術(shù)的研發(fā)投入，但現(xiàn)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

創(chuàng)新架構(gòu)引領(lǐng)變革，多重技術(shù)突破實(shí)現(xiàn)性能飛躍

韓國(guó)高麗大學(xué)與印度薩維塔大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)推出的高性能VTFT架構(gòu)，通過(guò)材料組合創(chuàng)新、界面工程優(yōu)化和工藝革新，實(shí)現(xiàn)了電學(xué)性能與集成能力的雙重突破，其核心技術(shù)亮點(diǎn)可概括為以下五大創(chuàng)新：

雙層活性通道設(shè)計(jì)，構(gòu)建高效載流子傳輸路徑

該VTFT架構(gòu)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(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。IZO材料具有高電子遷移率特性，而IGZO則具備優(yōu)異的電學(xué)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(zhǎng)期可靠性。研究表明，IZO與IGZO之間存在天然的導(dǎo)帶偏移（Conduction Band Offset），這種能量帶結(jié)構(gòu)差異能夠促進(jìn)載流子在異質(zhì)界面處的聚集與限制，為后續(xù)準(zhǔn)二維電子氣（q-2DEG）的形成奠定了基礎(chǔ)。

高k值間隔層精準(zhǔn)控長(zhǎng)，擺脫光刻技術(shù)依賴

研究團(tuán)隊(duì)選用400納米厚的氧化鉿（HfO?）作為垂直間隔層，精準(zhǔn)定義了垂直通道長(zhǎng)度。HfO?不僅具備高介電常數(shù)（k值，約20-25），能夠有效增強(qiáng)柵極控制能力，還具有獨(dú)特的熱反應(yīng)活性，在焦耳加熱作用下可實(shí)現(xiàn)氧空位的動(dòng)態(tài)調(diào)控。與傳統(tǒng)平面TFT依賴光刻技術(shù)定義通道長(zhǎng)度不同，該方案通過(guò)HfO?間隔層的物理厚度直接確定通道長(zhǎng)度，無(wú)需先進(jìn)光刻設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)400納米的短溝道操作，大幅降低了工藝復(fù)雜度和制造成本。同時(shí)，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(kāi)關(guān)特性。

脈沖焦耳加熱工藝，誘導(dǎo)準(zhǔn)二維電子氣形成

為解決氧化物半導(dǎo)體中載流子散射嚴(yán)重、遷移率不足的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新引入了脈沖電壓誘導(dǎo)焦耳加熱工藝。該工藝通過(guò)在源漏電極間施加4V脈沖電壓，產(chǎn)生局部焦耳熱（溫度約 300℃），無(wú)需全局高溫退火即可實(shí)現(xiàn)雙重優(yōu)化效果：

一方面，局部焦耳熱能夠在IZO/IGZO異質(zhì)界面處精準(zhǔn)生成氧空位，調(diào)節(jié)界面電子態(tài)密度；另一方面，能夠誘導(dǎo)形成準(zhǔn)二維電子氣（q-2DEG）。q-2DEG作為一種高濃度自由電子通道，能夠?qū)㈦娮酉拗圃讵M窄的勢(shì)能阱中，有效抑制庫(kù)侖散射和聲子散射，同時(shí)增強(qiáng)載流子限制作用，從而顯著提升場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)體成分調(diào)諧等遷移率增強(qiáng)技術(shù)相比，q-2DEG通道具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：傳統(tǒng)技術(shù)雖能暫時(shí)提高載流子濃度，但往往會(huì)引入結(jié)構(gòu)無(wú)序或亞穩(wěn)態(tài)能隙態(tài)，導(dǎo)致器件長(zhǎng)期可靠性下降；而q-2DEG基于異質(zhì)界面的能帶偏移形成，既能實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)脈沖焦耳加熱工藝誘導(dǎo)形成q-2DEG后，VTFT的場(chǎng)效應(yīng)遷移率達(dá)到 18.41cm2V?1s?1，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)IGZO平面TFT的6-10 cm2V?1s?1，甚至超過(guò)部分多晶氧化物 TFT的性能水平。同時(shí)，q-2DEG的形成還使器件的亞閾值擺幅降至400 mV/dec，開(kāi)關(guān)電流比達(dá)到105~106，展現(xiàn)出優(yōu)異的開(kāi)關(guān)特性。

雙電介質(zhì)層協(xié)同設(shè)計(jì)，兼顧性能與穩(wěn)定性

為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柵極控制并保障器件長(zhǎng)期可靠性，研究團(tuán)隊(duì)采用了HfO?與Al?O?雙電介質(zhì)層協(xié)同設(shè)計(jì)。其中，400納米厚的HfO?間隔層主要負(fù)責(zé)定義垂直通道長(zhǎng)度，并利用其氧空位相關(guān)態(tài)在局部焦耳加熱下的可調(diào)節(jié)性，促進(jìn)載流子注入和遷移；40納米厚的Al?O?柵極電介質(zhì)通過(guò)原子層沉積（ALD）技術(shù)制備，具有高介電強(qiáng)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(zhǎng)期工作可靠性。

這種雙電介質(zhì)策略避免了單一電介質(zhì)材料在傳輸效率與穩(wěn)定性之間的妥協(xié)，實(shí)現(xiàn)了器件高性能與高穩(wěn)定性的平衡。實(shí)驗(yàn)表明，該雙電介質(zhì)結(jié)構(gòu)使VTFT的漏電流控制在10-10A量級(jí)，在不同漏極電壓下的閾值電壓漂移小于0.1 V，展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)穩(wěn)定性。

OLED無(wú)縫集成架構(gòu)，簡(jiǎn)化工藝并提升像素密度

該VTFT架構(gòu)的另一大創(chuàng)新在于與OLED的垂直集成設(shè)計(jì)：VTFT的頂部漏電極直接延伸作為 OLED 的陽(yáng)極，無(wú)需額外的互連線路或復(fù)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(jiǎn)化了器件堆疊結(jié)構(gòu)。為確保VTFT與OLED之間的可靠垂直集成，研究團(tuán)隊(duì)采用 650納米厚的SU-8層作為層間電介質(zhì)（ILD）進(jìn)行表面平坦化處理，并通過(guò)通孔圖案暴露漏電極，實(shí)現(xiàn)了OLED與VTFT的精準(zhǔn)連接。

這種垂直堆疊設(shè)計(jì)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(yuǎn)小于傳統(tǒng)平面頂柵TFT的10F2和自對(duì)準(zhǔn)平面TFT的6F2。更小的占位面積能夠在相同像素間距下實(shí)現(xiàn)更高的孔徑比，為提升像素密度創(chuàng)造了條件。同時(shí)，鎢（W）柵電極的選用確保了強(qiáng)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(gòu)還優(yōu)化了OLED的多層堆疊結(jié)構(gòu)：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(qiáng)光提取效率。通過(guò)有限時(shí)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(yàn)證全面達(dá)標(biāo)，為超高分辨率顯示提供可靠支撐

一系列系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)，該VTFT-OLED垂直集成器件展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，完全滿足超高分辨率顯示的應(yīng)用需求：

在電學(xué)性能方面，該VTFT器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率達(dá)到 18.41cm2V?1s?1，閾值電壓僅為0.19 V，亞閾值擺幅低至400mV/dec，開(kāi)關(guān)電流比高達(dá)105~106，各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)低溫氧化物TFT。輸出特性測(cè)試顯示，器件在漏極電壓為15V時(shí)，電流密度達(dá)到2.5 μA/μm，遠(yuǎn)超AMOLED像素驅(qū)動(dòng)的需求（約0.5 μA/μm），能夠?yàn)镺LED提供充足的驅(qū)動(dòng)電流，確保發(fā)光亮度的穩(wěn)定性。

短溝道效應(yīng)抑制方面，由于HfO?間隔層精準(zhǔn)定義了通道長(zhǎng)度，且垂直架構(gòu)有效增強(qiáng)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(xiàn)象，在400納米通道長(zhǎng)度下仍保持優(yōu)異的開(kāi)關(guān)特性，展現(xiàn)出卓越的短溝道抑制能力。

可靠性測(cè)試顯示，該器件在三種典型應(yīng)力條件下均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性：在60℃、20 V正偏壓溫度應(yīng)力（PBTS）下，閾值電壓漂移僅為0.7 V；在20 V正偏壓光照應(yīng)力（PBIS）下，閾值電壓漂移為1.2 V；在-20 V負(fù)偏壓光照應(yīng)力（NBIS）下，閾值電壓漂移為-3.8 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，器件在實(shí)際工作環(huán)境中的長(zhǎng)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(cè)試顯示，該垂直集成器件具有優(yōu)異的發(fā)光控制能力。當(dāng)柵極電壓超過(guò)5V 時(shí)，OLED開(kāi)始發(fā)光；在10-15V柵極電壓范圍內(nèi)，OLED電流達(dá)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(qū)動(dòng)需求。同時(shí)，器件在高電壓下無(wú)明顯電流滾降現(xiàn)象，表明垂直通道結(jié)構(gòu)具有良好的熱穩(wěn)定性，電荷俘獲效應(yīng)被有效抑制。發(fā)光均勻性測(cè)試顯示，OLED的發(fā)光強(qiáng)度變異系數(shù)小于5%，展現(xiàn)出優(yōu)異的像素均勻性。

與以往報(bào)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(shí)現(xiàn)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(guò)垂直通道幾何設(shè)計(jì)、雙層氧化物半導(dǎo)體與高質(zhì)量柵極絕緣體的協(xié)同作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高遷移率和低亞閾值擺幅，體現(xiàn)了高效的電荷傳輸和強(qiáng)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(fù)性，30個(gè)測(cè)試樣品的關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)變異系數(shù)均小于10%，滿足大規(guī)模量產(chǎn)的需求。

產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，引領(lǐng)顯示技術(shù)邁向新時(shí)代

該垂直集成VTFT-OLED架構(gòu)具有四大核心競(jìng)爭(zhēng)力：一是器件占位面積僅為4F2，能夠在相同像素間距下實(shí)現(xiàn)更高的孔徑比和像素密度，為超高清、微顯示等領(lǐng)域提供核心技術(shù)保障，有望實(shí)現(xiàn)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(shè)備、折疊終端等新興應(yīng)用場(chǎng)景提供了技術(shù)支撐；三是VTFT與OLED的無(wú)縫集成設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了器件堆疊結(jié)構(gòu)，減少了互連層數(shù)和工藝步驟，有助于提升生產(chǎn)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(shì)，能夠滿足VR/AR、8K超高清電視、醫(yī)療顯示等高端應(yīng)用對(duì)高刷新率、高畫(huà)質(zhì)、低功耗的需求。

研究團(tuán)隊(duì)表示，目前已完成單個(gè)VTFT-OLED器件的概念驗(yàn)證，后續(xù)將重點(diǎn)推進(jìn)三大方向的研究：一是實(shí)現(xiàn)陣列級(jí)集成技術(shù)的開(kāi)發(fā)，優(yōu)化像素電路設(shè)計(jì)和互連方案，解決陣列化過(guò)程中的寄生參數(shù)問(wèn)題；二是進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件，降低制造成本，提升生產(chǎn)良率，為產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)奠定基礎(chǔ)；三是拓展材料體系，探索更高性能的氧化物半導(dǎo)體材料和電介質(zhì)材料，進(jìn)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(shù)還可與量子點(diǎn)、 Micro-LED等新型發(fā)光技術(shù)結(jié)合，開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)異的顯示器件，為顯示技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新提供通用平臺(tái)。業(yè)內(nèi)專家指出，該研究通過(guò)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(shí)現(xiàn)了VTFT與OLED的高效垂直集成，其開(kāi)發(fā)的技術(shù)方案兼具高電學(xué)性能、小占位面積、簡(jiǎn)化工藝和廣泛的襯底兼容性等多重優(yōu)勢(shì)，有望成為下一代超高分辨率、低功耗、柔性AMOLED顯示技術(shù)的核心解決方案，推動(dòng)顯示行業(yè)向更高分辨率、更優(yōu)性能、更廣泛應(yīng)用場(chǎng)景的方向邁進(jìn)。

馬女士 Ms. Ceres

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