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编者按

近期，《液晶与显示》2021年第3期文章“基于低温多晶硅-氧化物半导体混合集成的薄膜晶体管显示背板技术”被选为当期封面文章。《液晶与显示》执行主编张莹特别邀请该篇文章的通讯作者上海交通大学电子工程系郭小军教授，对其进行封面故事专访。（邓立昂, 陈世林, 黄博天, 郭小军. 基于低温多晶硅-氧化物半导体混合集成的薄膜晶体管显示背板技术[J]. 液晶与显示, 2021, 36(3) : 420-431. DOI：10.37188/CJLCD.2020-0268）

郭小军教授围绕封面文章中基于有源矩阵驱动的液晶显示（AMLCD）和有机发光二极管显示（AMOLED）、低温多晶硅-氧化物半导体混合集成（LTPO）的薄膜晶体管（TFT）背板技术等热点和关键问题进行了深入的解答，展望了LTPO技术的发展趋势、应用前景与面临的挑战，分享了其研究团队代表性工作、重要成果以及亲身经历和独到见解。本期，让我们一起走进郭小军教授研究团队，了解封面文章背后的故事。

液晶与显示 | 2021年第3期 封面

访谈

01

张莹：AMLCD和AMOLED是目前信息终端采用的主要显示技术，请您介绍一下两种显示技术的特点、发展趋势与应用前景。

郭小军：AMLCD是电压驱动型显示，可以充分利用现有的a-Si、LTPS和Oxide TFT，实现从小尺寸到大尺寸显示的覆盖；而且随着液晶材料、Mini-LED背光、Dual-cell、QD荧光转换膜等材料与技术的发展，显示品质会持续提升，功耗也会进一步降低。AMLCD已经形成了成熟的规模化制造工艺与产业链体系，在产品应用中占有一定的优势地位。AMOLED是电流驱动型显示，需要复杂的像素驱动电路，对TFT的性能有很高的要求，目前小尺寸AMOLED显示屏主要采用LTPS TFT，而大尺寸则采用Oxide TFT。如图1所示，与AMLCD相比，AMOLED最大的优势是超薄、可柔性，甚至可折叠、可卷，代表着显示技术向全固态半导体显示发展的趋势，并能够显示非常理想的黑态，为移动终端产品形态和功能集成的创新提供了更广阔的空间。但目前还存在老化、显示不良等不足。随着其量产技术水平的提高，AMOLED显示将在智能手机和可穿戴电子等移动终端产品中得到越来越多的应用。

02

张莹：随着移动终端显示屏分辨率的提升及显示面积的增大，显示屏功耗已成为整个系统功耗的重要组成部分。请您结合AMLCD和AMOLED两种显示技术，谈一谈影响显示屏功耗的因素有哪些？如何有效降低显示屏功耗，存在哪些技术难点？

郭小军：显示屏的功耗主要分为静态功耗和动态功耗两部分。对于AMLCD和AMOLED，动态功耗主要是由刷新显示画面过程中对各个像素进行信号写入所消耗的功耗。AMLCD的静态功耗主要来自于背光，而AMOLED的静态功耗来自于驱动TFT和OLED所形成的电流通路（如图2所示）。随着显示屏分辨率的提升，动态功耗逐渐成为重要的部分。为了降低动态功耗，可以减小显示像素阵列中的寄生电容，降低工作电压，以及根据显示内容降低刷新频率。而为了实现静态功耗的降低，对于AMLCD，可以提高背光的效率以及整个光学系统的光利用效率，而采用Mini-LED背光能够根据显示内容进行细颗粒的调光，也能有效降低静态功耗；对于AMOLED，需要进一步通过高性能材料和器件的设计提高OLED的效率（包括出光效率），以及降低在驱动TFT上的跨压。然而，随着OLED效率的提升以及像素尺寸的缩小，所需要的像素电流会大大下降，致使在低灰阶的情况下驱动TFT工作在深亚阈值区，将带来显示不良及灰度难以准确调控等问题与挑战。

03

张莹：2019年9月，苹果公司发布了Apple Watch Series 5智能手表，该产品正式使用了基于LTPO的OLED屏幕，可实现持续续航18小时，支持屏幕常亮。请您介绍一下LTPO究竟是什么，如何让Apple Watch Series 5续航表现如此抢眼？

郭小军：LTPO是指低温多晶氧化物（Low Temperature Polycrystalline Oxide）。LTPO是低温多晶硅（Low Temperature Polycrystalline Silicon, LTPS）和非晶氧化物半导体（Oxide semiconductor, OS）的结合，利用LTPS的高性能和OS的超低漏电，可用于实现低刷新率(1Hz)的AMOLED显示，大大降低动态功耗，实现常亮。

目前，LTPS由于其高迁移率和良好的稳定性，已经成为小尺寸高分辨率显示的主流背板技术。然而，其较高的漏电流给实现低帧率显示驱动带来了挑战。自2004年日本东京工业大学Hosono课题组发表基于非晶铟镓锌氧（In-Ga-Zn-O, IGZO）沟道层的TFT器件以来, OS因其较高的迁移率，以及适合大尺寸、低成本制造的优势获得了学术界和产业界的广泛关注, 并在大/中尺寸高分辨AMLCD和大尺寸刚性/柔性AMOLED显示中得到商业化应用。另一方面，由于OS较大的禁带宽度、带隙间较低的缺陷态密度和对空穴输运的抑制，其具有漏电流低的优势。利用这一特点，苹果公司提出了LTPS和OS两者集成LTPO技术，实现了低至1Hz帧率的低功耗AMOLED显示屏，应用于智能手表（如图3所示）。

04

张莹：与非晶硅（a-Si）、低温多晶硅（LTPS）、非晶氧化物半导体（OS）等相比，LTPO具有哪些优势？采用LTPO技术的AMLCD和AMOLED显示面板在集成结构与工艺上面临哪些技术瓶颈与挑战？

郭小军：由于LTPS TFT具有高迁移率和良好的稳定性，已经取代非晶硅(a-Si) TFT，成为小尺寸高分辨率显示的主流背板技术。然而，在关态偏压下，漏极区形成较高的电场；LTPS薄膜晶界缺陷态的存在会辅助隧穿效应的增强，导致较大的反偏漏电流。因此，虽然LTPS TFT具有较高的迁移率，有助于实现高分辨率、高帧率显示，但其较高的漏电流给实现低帧率显示驱动带来了挑战。OS TFT因其较高的迁移率，以及适合大尺寸、低成本制造，已被应用于大/中尺寸高分辨AMLCD和大尺寸刚性/柔性AMOLED显示 。表1展示了应用在显示中的三种主流TFT各类工作特性的对比。与LTPS TFT相比，OS TFT的迁移率和稳定性还有不少差距，面向小尺寸高分辨显示尤其是AMOLED显示，虽然已表现出一定潜力，但还难以达到LTPS TFT的性能水平。然而，由于OS较大的禁带宽度、带隙间较低的缺陷态密度和对空穴输运的抑制，OS TFT具有亚阈值摆幅陡峭、漏电流低(<10-20A/μm)的优势。LTPO是LTPS和OS的结合，利用LTPS的高性能和OS的超低漏电，可用于实现低刷新率的AMOLED显示。

LTPO目前主要面向AMOLED显示的应用，主要的技术瓶颈是如何抑制LTPS层的氢对OS TFT性能的影响，并能够减少工艺步骤和掩模版的数目。对于LTPS，为了实现高性能和良好偏置稳定性的器件，需要通过掺氢(H)来钝化多晶硅晶粒内部、晶界之间，以及多晶硅与栅极绝缘层界面处的缺陷。然而，OS TFT的性能对H非常敏感。在LTPO工艺过程中，LTPS层中的H扩散到OS层，会与其中的氧悬挂键结合，或打破氧-金属共价键而形成氢氧化物。当H的量很少时，由于缺陷态密度的降低，一定程度上会提高器件的迁移率，减弱回滞现象；然而，当有更多的H时，氧空位和金属-氧健的平衡会被打破，导致器件阈值电压的漂移和稳定性的恶化。

表1三种薄膜晶体管各类特性的对比

张莹：请您介绍一下基于LTPO技术实现兼容低帧率和高帧率驱动的内部补偿AMOLED像素电路的优势，以及TFT器件稳定性对低帧率驱动的影响及补偿方法。

郭小军：LTPO利用OS TFT超低漏电的特性，可以不依赖于增大像素存储电容，获得足够强的数据电压信号保持能力。在满足低帧率驱动需求的同时，也有利于实现高刷新率。同时，将原来LTPS TFT像素电路中的p型TFT器件换成n型OS TFT器件，可以提高OLED阳极初始化的速度，也有助于高帧率驱动的实现。

由于OS TFT的稳定性差于LTPS TFT，在低帧率驱动下，其作为开关被长时间负栅压偏置，会导致阈值电压的负向漂移，引起关断时反冲电压(kick back voltage)的变化，进一步影响驱动TFT的电流，最终导致像素发光亮度的差异；尤其在低亮度的情况下，会造成比较严重的显示非均一性。针对此问题，需要在器件层面提高OS TFT负偏压稳定性。在电路层面，苹果公司提出了通过设计外围监测电路，对像素OLED电流进行检测，如其偏离预期值，则可通过改变开关OS TFT的扫描控制信号的高电压电平，以补偿其阈值电压漂移带来的影响，如图4所示。

06

张莹：LTPO技术有望推动显示屏向更低功耗迈进。请您谈一谈LTPO技术的发展趋势、应用前景与面临的挑战。

郭小军：随着智能手机AMOLED显示屏尺寸和分辨率的提升，以及柔性AMOLED显示在穿戴电子方面应用的普及，降低功耗成为一个非常重要的技术方向。对于移动终端和可穿戴应用，在保证视频显示所需要的高刷新率的同时，需要大大降低显示非视频画面的动态功耗。因此，可实现低帧率驱动成为关键，而LTPO正是实现低帧率驱动的一个有效手段，有可能会成为移动终端和穿戴显示应用的一个重要的技术竞争点。

LTPO技术发展面临的重要挑战是解决量产的良率和成本。如何能够将LTPS TFT和OS TFT以最少的掩模版数目实现集成，而工艺上不互相影响，是实现低成本、高良率制造的关键。目前，主要还是基于产业界现有的成熟的LTPS TFT和OS TFT技术，通过工艺的优化，实现LTPO的集成制造。能够发展对H不敏感的高稳定性OS TFT器件将能够从根本上降低LTPO的集成制造难度并降低成本。

07

张莹：请您介绍一下您带领的研究团队在柔性显示薄膜晶体管背板与驱动技术方面开展的代表性工作和重要成果。

郭小军：我们研究团队在柔性显示TFT背板与驱动技术方面主要开展两方面的工作：（1）基于LTPS TFT和OS TFT的AMOLED显示驱动方案：提出了一种新的闭环反馈的外部补偿驱动方法，能够有效降低收敛时间，更好地克服LTPS TFT的非理想特性的影响 (授权中国发明专利ZL 201310324078.4，IEEE/OSA J. Display Technology 2014, 10, 991)。考虑到闭环反馈外部补偿降低收敛的局限性，提出了可同步显示的开环反馈外部补偿的驱动方法，可以根据需要随时对各像素进行检测和补偿，降低了对OS TFT的稳定性要求(授权中国发明专利ZL201711381120.0；IEEE TCAS-II 2020, 67, 1790)。如图5所示，针对不同视频内容长时间播放产生的残影，经过连续10帧的补偿，都能够获得良好的显示效果。

（2）面向显示无处不在的应用需求，研究基于低温溶液法工艺的OTFT背板：产业界的a-Si TFT、LTPS TFT和OS TFT背板技术能够很好地覆盖目前主流的显示应用，如手机、平板、电脑和电视等。然而，面向智能物联时代无处不在的交互需求，显示屏需要满足性能和形态的高度可定制。因此，发展可低温工艺制造、具有优良本征柔性的OTFT背板技术，有望对现有的TFT背板技术形成互补，实现显示的无处不在。通过多年的研究，建立了可集成的器件结构和材料体系，打通了基于溶液法工艺的背板集成工艺，以及和OLED的集成（ IEEE Electron Device Lett., 36(1), 59, 2015; IEDM 2018, 38.3）；在科技部国家重点研发计划项目的资助下，近期完成了320×240的OTFT-AMOLED显示demo。

08

张莹：您在科研攻关过程中遇到过哪些困难，是什么支撑您攻克难关？有没有让您特别难忘的经历？

郭小军：我留在高校工科专业，指导以研究生为主体的科研团队开展科研工作，主要有两个目标：一方面希望能够针对一些关键问题，通过长期的研究形成基础理论和核心技术，为产业的发展提供支撑；另一方面，也是更为重要的目的，希望通过这样的过程，培养一批能够联系基础研究和产业的人才。在多年的科研过程中，寻找确立既有产业应用导向，又具有学术前沿性的研究问题，一直是很大的难题。为此，在面向学术前沿开展相关研究的同时，我一直努力地通过合作项目、研讨会、技术顾问等多种方式保持与产业紧密交流合作，能够在科研和人才培养过程中始终考虑产业的需求。相关的研究工作也可以充分利用产业的现有资源，弥补高校在工艺条件和工程技术人员方面的不足，通过紧密的合作，能够将基础研究的想法得到有效的集成系统验证，并让学生对产业有更直接和深入的了解。印象比较深刻的是，我的一位博士生参与OTFT-AMOLED项目，其中一些工艺需要到不同的产线去跟线完成，在这一过程中，深刻体会到完成每步工艺的不易，以及制造业产业链的强大，充分理解到科研创新需要依托于产业基础的重要性和必要性。

团队介绍

团队负责人

郭小军 | 教授

郭小军，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。2002年于吉林大学获得电子科学与技术专业学士学位，2007年于英国Surrey大学获得电子工程博士学位；曾在英国Plastic Logic公司（现为FlexEnable）从事柔性显示技术的研发工作。2009年加入上海交通大学电子工程系，面向发展更为友好的“人-机-环境”界面电子技术，研究相关核心器件技术（薄膜晶体管、传感、显示）、混合器件电路设计、异质异构集成、以及新型制造工艺模式。在电子材料和器件领域的国际主流期刊上以第一/通信作者发表论文超过70篇，受邀国际学术会议报告超过20次。担任IEEE TED、IEEE JEDS、《半导体学报》、《液晶与显示》编委、Flexible and Printed Electronics高级编委、IEEE电子器件学会理事会(BoG)成员(2021-2023)、“柔性电子与显示”技术委员会主席（2016-2019）、SID技术术委员会委员等。入选教育部“新世纪优秀人才计划”、上海高校特聘教授（东方学者）计划以及上海市浦江人才计划，获得SID Presidential Citation Award (2018、2019)。

团队研究方向及主要成果

面向发展更为友好的“人-机-环境”交互界面，研究薄膜晶体管、显示和传感器件技术、混合器件电路设计和异质异构集成技术、具有自由形态的低功耗显示与传感系统，以及生物启发的电子与光电子器件集成。

编辑 | 张莹、赵阳

欢迎课题组投递成果宣传稿

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原标题：《液晶与显示 | 封面故事：低功耗长续航显示技术》