在消费电子、虚拟现实、医疗显示等领域对超高分辨率屏幕需求持续爆发的当下，传统显示技术的性能瓶颈日益凸显。近日，韩国高丽大学与印度萨维塔大学的联合研究团队在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了一项重磅研究成果，成功研发出一种基于高迁移率垂直薄膜晶体管（VTFT，Vertical TFT）的OLED垂直集成架构。该技术通过材料创新、界面工程与工艺优化的协同突破，彻底解决了传统平面TFT在通道缩放、集成密度和驱动性能上的核心局限，为下一代超高分辨率、低功耗、柔性显示技术的发展提供了核心解决方案，有望引发显示行业的技术变革。

行业痛点亟待破解，传统技术遭遇发展天花板

随着显示技术向超高清、微显示、柔性化方向快速演进，超高分辨率OLED显示器对驱动背板的性能提出了前所未有的严苛要求。理想的显示背板需要同时具备高场效应迁移率、低阈值电压、陡峭亚阈值摆幅和卓越的可扩展性，才能精准控制每个像素的发光强度与响应速度，满足终端产品对画质和体验的极致追求。

长期以来，基于铟镓锌氧化物（IGZO）等非晶或多晶氧化物半导体的平面TFT，凭借其均匀的电学特性、优异的光学透明性和低温工艺兼容性，成为OLED显示背板的主流选择，广泛应用于智能手机、电视、平板电脑等终端产品。然而，随着像素密度不断突破每英寸600像素（PPI）甚至更高，平面 TFT 的固有缺陷逐渐暴露，成为制约技术升级的关键瓶颈：

平面TFT采用横向电流传输架构，通道长度受限于光刻技术的物理极限，难以实现极致缩放。当通道长度缩短至亚微米级别时，会出现严重的短沟道效应，导致电流驱动能力下降、阈值电压漂移、性能波动性增加等问题，直接影响显示画质的均匀性和稳定性。为突破光刻限制，传统方案需采用复杂的多重曝光、自对准等先进工艺，不仅大幅增加了制造成本，还降低了生产良率和吞吐量，严重制约了超高分辨率显示技术的商业化进程。

此外，平面TFT的横向布局导致像素电路占位面积较大，难以在有限的像素间距内实现更高的孔径比，限制了像素密度的进一步提升。同时，横向结构的源漏极间距较大，寄生电阻和电容问题突出，影响了AMOLED电路的响应速度和功耗控制，难以满足虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等新兴应用对高刷新率、低功耗的需求。

在此背景下，VTFT凭借其独特的垂直电流传输设计，成为替代传统平面TFT的理想方案。VTFT将电流流动方向改为垂直于衬底，通过沉积的介电间隔层物理厚度定义通道长度，彻底摆脱了光刻分辨率对通道长度的束缚，在实现器件极致小型化的同时，还能有效提升集成密度并保持优异的电学性能。此外，垂直结构天然缩短了源漏极间距，具备更高的电流驱动能力，有助于缓解AMOLED电路中的寄生参数问题，为高分辨率像素驱动提供了更优解。

近年来，全球科研团队和企业纷纷加大对VTFT技术的研发投入，但现有方案在载流子迁移率、界面稳定性、OLED集成兼容性等方面仍存在诸多不足，尚未实现商业化应用。

创新架构引领变革，多重技术突破实现性能飞跃

韩国高丽大学与印度萨维塔大学的联合研究团队推出的高性能VTFT架构，通过材料组合创新、界面工程优化和工艺革新，实现了电学性能与集成能力的双重突破，其核心技术亮点可概括为以下五大创新：

双层活性通道设计，构建高效载流子传输路径

该VTFT架构创新采用铟锌氧化物（IZO）与铟镓锌氧化物（IGZO）组成的双层活性通道，形成异质结结构。IZO材料具有高电子迁移率特性，而IGZO则具备优异的电学稳定性，两者的协同作用既保证了载流子的高效传输，又提升了器件的长期可靠性。研究表明，IZO与IGZO之间存在天然的导带偏移（Conduction Band Offset），这种能量带结构差异能够促进载流子在异质界面处的聚集与限制，为后续准二维电子气（q-2DEG）的形成奠定了基础。

高k值间隔层精准控长，摆脱光刻技术依赖

研究团队选用400纳米厚的氧化铪（HfO₂）作为垂直间隔层，精准定义了垂直通道长度。HfO₂不仅具备高介电常数（k值，约20-25），能够有效增强栅极控制能力，还具有独特的热反应活性，在焦耳加热作用下可实现氧空位的动态调控。与传统平面TFT依赖光刻技术定义通道长度不同，该方案通过HfO₂间隔层的物理厚度直接确定通道长度，无需先进光刻设备即可实现400纳米的短沟道操作，大幅降低了工艺复杂度和制造成本。同时，HfO₂间隔层还能有效隔离源漏电极，抑制漏电流，提升器件的开关特性。

脉冲焦耳加热工艺，诱导准二维电子气形成

为解决氧化物半导体中载流子散射严重、迁移率不足的问题，研究团队创新引入了脉冲电压诱导焦耳加热工艺。该工艺通过在源漏电极间施加4V脉冲电压，产生局部焦耳热（温度约 300℃），无需全局高温退火即可实现双重优化效果：

一方面，局部焦耳热能够在IZO/IGZO异质界面处精准生成氧空位，调节界面电子态密度；另一方面，能够诱导形成准二维电子气（q-2DEG）。q-2DEG作为一种高浓度自由电子通道，能够将电子限制在狭窄的势能阱中，有效抑制库仑散射和声子散射，同时增强载流子限制作用，从而显著提升场效应迁移率。

与传统的金属催化掺杂、氧空位控制或氧化物半导体成分调谐等迁移率增强技术相比，q-2DEG通道具有独特优势：传统技术虽能暂时提高载流子浓度，但往往会引入结构无序或亚稳态能隙态，导致器件长期可靠性下降；而q-2DEG基于异质界面的能带偏移形成，既能实现高迁移率，又能保持器件稳定性，为氧化物 TFT 提供了兼具超高迁移率和优异工作可靠性的解决方案。

实验数据显示，通过脉冲焦耳加热工艺诱导形成q-2DEG后，VTFT的场效应迁移率达到 18.41cm²V⁻¹s⁻¹，远高于传统IGZO平面TFT的6-10 cm²V⁻¹s⁻¹，甚至超过部分多晶氧化物 TFT的性能水平。同时，q-2DEG的形成还使器件的亚阈值摆幅降至400 mV/dec，开关电流比达到10⁵~10⁶，展现出优异的开关特性。

双电介质层协同设计，兼顾性能与稳定性

为实现强栅极控制并保障器件长期可靠性，研究团队采用了HfO₂与Al₂O₃双电介质层协同设计。其中，400纳米厚的HfO₂间隔层主要负责定义垂直通道长度，并利用其氧空位相关态在局部焦耳加热下的可调节性，促进载流子注入和迁移；40纳米厚的Al₂O₃栅极电介质通过原子层沉积（ALD）技术制备，具有高介电强度、低缺陷密度和优异的界面兼容性，能够有效抑制漏电流并保障长期工作可靠性。

这种双电介质策略避免了单一电介质材料在传输效率与稳定性之间的妥协，实现了器件高性能与高稳定性的平衡。实验表明，该双电介质结构使VTFT的漏电流控制在10-10A量级，在不同漏极电压下的阈值电压漂移小于0.1 V，展现出优异的电学稳定性。

OLED无缝集成架构，简化工艺并提升像素密度

该VTFT架构的另一大创新在于与OLED的垂直集成设计：VTFT的顶部漏电极直接延伸作为 OLED 的阳极，无需额外的互连线路或复杂的平面金属化工艺，不仅最大限度地降低了寄生电阻，还简化了器件堆叠结构。为确保VTFT与OLED之间的可靠垂直集成，研究团队采用 650纳米厚的SU-8层作为层间电介质（ILD）进行表面平坦化处理，并通过通孔图案暴露漏电极，实现了OLED与VTFT的精准连接。

这种垂直堆叠设计大幅减小了像素电路的占位面积，使VTFT的器件面积仅为4F²（F为最小特征尺寸），远小于传统平面顶栅TFT的10F²和自对准平面TFT的6F²。更小的占位面积能够在相同像素间距下实现更高的孔径比，为提升像素密度创造了条件。同时，钨（W）栅电极的选用确保了强大的静电控制和高效的电荷注入，为OLED的稳定发光提供了可靠保障。

此外，该集成架构还优化了OLED的多层堆叠结构：采用10纳米厚的三氧化钼（MoO₃）作为空穴注入层（HIL），50纳米厚的TAPC作为空穴传输层（HTL），25纳米厚的mCP掺杂 8wt% FIrpic作为发光层（EML），50 纳米厚的TPBi作为电子传输层（ETL），1纳米厚的氟化锂与铝作为电子注入层，10纳米厚的半透明银作为阴极，并沉积60纳米厚的DPPS封装层增强光提取效率。通过有限时域差分法仿真优化，OLED的光提取效率显著提升，发光均匀性良好。

性能验证全面达标，为超高分辨率显示提供可靠支撑

一系列系统的实验测试证实，该VTFT-OLED垂直集成器件展现出优异的综合性能，完全满足超高分辨率显示的应用需求：

在电学性能方面，该VTFT器件的场效应迁移率达到 18.41cm²V⁻¹s⁻¹，阈值电压仅为0.19 V，亚阈值摆幅低至400mV/dec，开关电流比高达10⁵~10⁶，各项关键性能指标均优于传统低温氧化物TFT。输出特性测试显示，器件在漏极电压为15V时，电流密度达到2.5 μA/μm，远超AMOLED像素驱动的需求（约0.5 μA/μm），能够为OLED提供充足的驱动电流，确保发光亮度的稳定性。

短沟道效应抑制方面，由于HfO₂间隔层精准定义了通道长度，且垂直架构有效增强了栅极控制能力，器件的漏致阈值滚降低于4mV V⁻¹，完全抑制了穿通现象，在400纳米通道长度下仍保持优异的开关特性，展现出卓越的短沟道抑制能力。

可靠性测试显示，该器件在三种典型应力条件下均表现出良好的稳定性：在60℃、20 V正偏压温度应力（PBTS）下，阈值电压漂移仅为0.7 V；在20 V正偏压光照应力（PBIS）下，阈值电压漂移为1.2 V；在-20 V负偏压光照应力（NBIS）下，阈值电压漂移为-3.8 V。实验结果表明，器件在实际工作环境中的长期稳定性良好，能够满足OLED显示器的使用寿命要求。

OLED集成性能测试显示，该垂直集成器件具有优异的发光控制能力。当栅极电压超过5V 时，OLED开始发光；在10-15V栅极电压范围内，OLED电流达到20-45μA，完全满足典型中小尺寸OLED像素在200-300 cd m⁻²亮度下的稳定驱动需求。同时，器件在高电压下无明显电流滚降现象，表明垂直通道结构具有良好的热稳定性，电荷俘获效应被有效抑制。发光均匀性测试显示，OLED的发光强度变异系数小于5%，展现出优异的像素均匀性。

与以往报道的氧化物基VTFT相比，该器件在迁移率和亚阈值摆幅之间实现了更优的平衡。许多传统器件往往牺牲一方以换取另一方的提升，而该研究通过垂直通道几何设计、双层氧化物半导体与高质量栅极绝缘体的协同作用，同时实现了高迁移率和低亚阈值摆幅，体现了高效的电荷传输和强大的静电栅极控制能力。此外，该器件还具有良好的工艺兼容性和重复性，30个测试样品的关键电学参数变异系数均小于10%，满足大规模量产的需求。

产业化前景广阔，引领显示技术迈向新时代

该垂直集成VTFT-OLED架构具有四大核心竞争力：一是器件占位面积仅为4F²，能够在相同像素间距下实现更高的孔径比和像素密度，为超高清、微显示等领域提供核心技术保障，有望实现亚微米像素间距的超高分辨率显示；二是采用低温工艺（最高温度仅300℃）制备，兼容塑料、柔性聚合物等热敏感衬底，为柔性显示、可穿戴设备、折叠终端等新兴应用场景提供了技术支撑；三是VTFT与OLED的无缝集成设计，简化了器件堆叠结构，减少了互连层数和工艺步骤，有助于提升生产效率并降低制造成本；四是器件具备高迁移率、低功耗、高稳定性等优势，能够满足VR/AR、8K超高清电视、医疗显示等高端应用对高刷新率、高画质、低功耗的需求。

研究团队表示，目前已完成单个VTFT-OLED器件的概念验证，后续将重点推进三大方向的研究：一是实现阵列级集成技术的开发，优化像素电路设计和互连方案，解决阵列化过程中的寄生参数问题；二是进一步优化工艺条件，降低制造成本，提升生产良率，为产业化量产奠定基础；三是拓展材料体系，探索更高性能的氧化物半导体材料和电介质材料，进一步提升器件的迁移率、稳定性和发光效率。

此外，该技术还可与量子点、Micro-LED等新型发光技术结合，开发出性能更优异的显示器件，为显示技术的持续创新提供通用平台。业内专家指出，该研究通过材料创新、界面工程和工艺优化的协同作用，成功突破了传统平面TFT的性能瓶颈，实现了VTFT与OLED的高效垂直集成，其开发的技术方案兼具高电学性能、小占位面积、简化工艺和广泛的衬底兼容性等多重优势，有望成为下一代超高分辨率、低功耗、柔性AMOLED显示技术的核心解决方案，推动显示行业向更高分辨率、更优性能、更广泛应用场景的方向迈进。

（来源：CINNO）