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电子科技大学刘奥团队Device：回顾氧化物TFT技术的发展历程 | Cell Press论文速递

CellPress细胞科学

2025-03-27 17:01发布于北京CellPress细胞科学官方账号

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物质科学

Physical science

薄膜晶体管（TFT）技术的革新持续引领着半导体器件和显示领域的突破性进展。其中，氧化物半导体凭借其高电子迁移率、优异的环境稳定性、出色的光学透明度以及大面积均匀性等独特优势，成为当前研究的热点领域。在这一研究背景下，电子科技大学刘奥教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为“Revolutionizing Electronics with Oxide Thin-Film Transistor Technology”的文章，系统回顾了氧化物TFT技术的发展历程，全面评述了研究现状与重要成果。

该文章首先深入解析了氧化物TFT的基本结构和工作原理，详细阐述了TFT技术在显示领域的发展轨迹，并对其未来应用前景进行了前瞻性展望。文章随后重点分析了当前氧化物TFT技术面临的关键科学问题和技术瓶颈，包括材料性能优化、工艺稳定性提升以及器件可靠性改进等方面。最后，作者针对这些挑战提出了系统的解决方案和技术路线，强调通过多学科交叉创新，有望突破现有技术限制，进一步拓展氧化物TFT在柔性电子、透明电子等新兴领域的应用边界。

这篇文章不仅为学术界提供了重要的理论参考，也为产业界指明了技术发展方向，对推动氧化物TFT技术的持续创新和产业化应用具有重要的指导意义。

文章亮点：

本文章详细介绍了氧化物TFT的结构原理和TFT技术在显示器中的发展历程和应用前景。
本文章详细论述了氧化物TFT未来的发展方向与急需应对的挑战。并针对这些挑战，提出了独特的见解与解决办法。

文章简介：

在日新月异的技术革新浪潮中，薄膜晶体管（TFT）技术的持续突破不断拓展着半导体和显示行业的应用边界。其中，金属氧化物TFT凭借其卓越性能，已然成为现代显示技术的核心支柱。作为关键的开关和驱动单元，这些器件正在重塑人机交互方式，推动电子产品向更智能、更便捷的方向发展。以非晶态铟镓锌氧化物（a-IGZO）为代表的半导体材料，已在高分辨率平板显示器（FPD）等领域获得广泛应用。进入21世纪以来，氧化物TFT技术取得了突破性进展。相较于传统低温多晶硅（LTPS）技术，氧化物TFT展现出显著优势：其低温加工特性降低了生产成本，极低的关态电流则大幅提升了能效表现。这些技术突破直接推动了2010年代中期柔性透明显示器的商业化进程，为可折叠设备、可穿戴技术、智能汽车显示系统和先进传感器等创新应用开辟了新的发展空间。与此同时，氧化物TFT技术与印刷电子制造的深度融合，实现了器件的大规模生产和多样化集成，进一步拓展了其应用场景。展望未来，氧化物TFT凭借其优异的光学透明度和超低功耗特性，将在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）领域大放异彩。更重要的是，这些器件将在下一代物联网设备中扮演核心角色，为人工智能（AI）计算和神经形态处理等尖端应用提供关键技术支持，推动信息技术向更高维度发展。

为充分释放氧化物TFT技术的应用潜力，亟需在迁移率提升、能效优化以及先进互补电路功能拓展等方面取得突破。当前，n型氧化物半导体凭借其优异的电子传输特性已取得显著进展，这主要得益于其本征能带结构的优势。然而，p型氧化物TFT的发展却面临严峻挑战：其空穴传输路径受限于强各向性的氧2p轨道，导致空穴有效质量较大、迁移率偏低，这一瓶颈严重制约了p型氧化物TFT的性能提升。

自氧化亚铜（Cu₂O）和一氧化锡（SnO）作为p型氧化物TFT材料被首次报道以来，尽管研究不断深入，但高关断电流等问题仍未得到根本解决。为应对这一挑战，业界开发了低温多晶氧化物（LTPO）技术，然而该技术仍面临诸多限制：工艺均匀性难以保证、晶界效应导致的缩放能力不足、制造工艺复杂、衬底兼容性有限以及热预算约束等问题。在此背景下，基于碲（Te）的半导体材料因其潜在的高迁移率和稳定性，被视为实现高性能p型半导体的重要候选材料。

尽管氧化物TFT技术已取得丰硕成果，但其发展远未到达终点。随着材料科学和制造工艺的不断进步，这一技术有望在电子领域开启新的篇章，为下一代电子器件的发展提供关键支撑。

▲图1：薄膜晶体管（TFT）结构原理图和TFT技术在显示器中的发展和未来应用前景。

▲图2：高性能p型氧化物半导体实现全氧化物CMOS的技术革新。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请刘奥教授团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

为什么选择氧化物薄膜作为晶体管的有源层？

刘奥教授：

随着显示技术的不断进步，市场对高分辨率、快速响应的显示面板需求日益增加。传统的非晶硅（a-Si）TFT在高分辨率显示中存在电子迁移率低、响应速度慢等问题，而氧化物TFT具有更高的电子迁移率，能够支持更高的分辨率和更快的刷新率，从而提升显示效果。同时，氧化物半导体材料具有良好的光学透明性、延展性，能在可折叠、可卷曲的新型显示设备中广泛应用。此外，氧化物TFT能够在大面积基底上实现均匀的薄膜沉积，对于大尺寸显示面板的制造具有重要意义。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

刘奥教授：

我们的团队下一步计划主要集中在以下几个方面：首先，对于高性能p型半导体薄膜材料的探索。基于Te的半导体是实现高迁移率、稳定p型半导体的有力候选者。然而，由于碲元素具有较窄带隙（0.35 eV），会导致高的关态电流，从而增加功耗。因此，未来会通过基于材料结构与组分的带隙工程来改善这一问题。其次，在保持性能和可靠性的同时缩小器件尺寸。通过使用不同沉积工艺制备超薄非晶态TFT，为未来进一步探索低功耗互补电路打下基础。最后，TFT技术在光检测和成像方面具有巨大的潜力，相较于传统的Si基CMOS图像传感器，基于TFT技术的光电传感器兼顾了低成本、大面积的优点，也是我们未来的重要研究计划之一。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Device来发表这个工作的原因？

刘奥教授：

首先，Device是Cell Press细胞出版社旗下的高水平旗舰期刊，与Cell、Chem、Joule和Matter同属一脉，拥有极高的学术影响力和权威性。该期刊聚焦于物理、化学、材料、信息科学、工程学等多个领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果，正是推动前沿设备及其应用的理想平台。其次，Device期刊致力于促进科研领域的创新整合与交叉融合，旨在激发科研群体的创造性，推动开发具有现实意义、能够提升人们生活质量的新设备和新器件。我们的工作为未来电子设备的发展提供了新的思路和方向，这与Device期刊的目标高度一致。通过在Device上发表，我们希望能够将我们的研究成果展示给更广泛的科研群体，促进学术交流和技术合作。因此，我们坚信Device是发表此项工作的最佳平台。

论文作者介绍

刘奥

教授

刘奥，本文通讯作者，电子科技大学基础与前沿研究院教授。研究聚焦于新型半导体信息材料的研发及产业制程兼容的电子薄膜和功能器件集成，在新型P型半导体材料开发和薄膜晶体管（TFT）集成方向做出系列开拓、原创性成果，首次提出高迁移率非晶P型碲基复合半导体设计理念。以第一/通讯作者在Nature, Science, Nature Electronics, Nature Protocols, Nature Communications, Device等期刊发表论文60余篇。论文被引用6000余次。授权中、韩发明专利10余项。荣获“中国十大新锐科技人物”、韩国信息显示协会“青年领袖奖”、韩国三星 “产学合作奖”、美国环宇显示“技术先驱奖”、中国政府优秀自费留学生奖等。

朱慧慧

教授

朱慧慧，本文通讯作者，电子科技大学物理学院教授、博士生导师。主要研究兴趣包括钙钛矿薄膜晶体管等电子器件、新型半导体材料、中长波红外探测等。迄今共发表论文70余篇，其中以第一/通讯作者（含共同）在Nature, Nature Electronics, Nature Communications, Advanced Materials等期刊发表论文30余篇。论文被引用3700余次，h因子34。曾获多项重要奖项，如第十七届“春晖杯”中国留学人员创新创业大赛优胜奖、韩国三星“产研结合奖”，美国寰宇显示“技术先驱奖”、“国家优秀自费留学生奖学金”、韩国信息显示协会奖、浦项制铁亚洲奖学金(POSCO Asia Fellowship)、Ruth L. Satter Fellowship（杰出女性科学家奖学金）等。

王名扬

博士后

王名扬，本文第一作者，电子科技大学基础与前沿研究院博士后，主要研究兴趣包括氧化物薄膜晶体管器件以及CMOS电路集成、新型P型半导体材料、先进光电探测器件等领域。迄今共发表SCI论文16篇，其中以第一作者在Device, Nano Letters, Applied Surface Science等期刊发表论文6篇，主持中国博士后科学基金面上项目一项，作为骨干人员参与国家重点研发计划以及国家自然科学基金等项目的研究。