LGD联合延世大学通过新型子像素级设计，大幅降低AMOLED性能的温度依赖性
AMOLED显示屏凭借超薄形态、高对比度、广色域、机械柔性等优异特性，已成为消费电子领域的主流显示技术，其应用场景也从室内常规环境延伸至高低温交替的户外、车载等复杂场景，对画质的环境适应性提出了极高要求。
温度是影响AMOLED显示画质的关键环境参数，其波动会直接改变器件的电光特性，引发一系列画质问题。一方面，AMOLED采用电流驱动工作模式，有机发光层本身具有固有的温度依赖性，温度变化会直接导致显示屏亮度发生改变；另一方面，红、绿、蓝三原色子像素的温度响应特性存在差异，相同温度波动下，三者的亮度变化幅度各不相同，进而引发子像素间的亮度失衡。这种失衡会直接造成白色坐标偏移，最终表现为显示屏出现肉眼可感知的色彩偏差，且该问题在采用串联OLED的高功效AMOLED面板中更为突出 —— 串联OLED虽能有效节能，但发光效率的提升使其对微小的电流偏差更为敏感，温度引发的亮度和色彩波动被进一步放大，成为制约其商业化落地的重要挑战。
图1. 温度变化引发的AMOLED显示屏画质偏差
为解决这一问题，行业内此前主要从器件级和系统级两个方向开展研究，但均存在难以突破的局限性。器件级研究以材料优化为核心，通过改进有机发光层、电极界面等材料体系提升OLED器件的温度稳定性，然而红、绿、蓝OLED依赖完全不同的材料体系，需要针对每种颜色单独优化，无法形成统一的解决方案，研发和生产成本居高不下。系统级方案则结合温度传感器的热反馈与基于查找表（LUT）的驱动电压调整，实现对驱动条件的实时温度感知调控，但其弊端同样明显：大规模的LUT映射会大幅增加存储器需求，额外的补偿算法也会引入显著的系统级开销，不仅推高了制造成本，还因硬件资源占用问题，难以在紧凑的移动设备中单独落地。
与此同时，现有解决方案要么聚焦于OLED器件本身，要么依赖外部补偿系统，均未从显示屏像素电路的核心部件 —— 驱动TFT的结构设计层面寻找突破。在此背景下，LGD联合延世大学研究团队提出了一种前置性的子像素级布局优化策略，从驱动TFT的结构设计入手，通过调控局部结构参数实现对温度诱导型亮度和色彩变化的内在抑制，既规避了材料优化的色彩特异性问题，又摆脱了对外部补偿系统的依赖，为解决AMOLED温度稳定性问题提供了全新思路。
子像素级接触孔密度调制，精准调控TFT阈值电压温度敏感性
研究团队的核心技术思路是：通过调制每个子像素内驱动TFT周边的接触孔密度，调控低温多晶硅（LTPS）在退火过程中的脱氢程度，进而精准调谐驱动TFT阈值电压（Vth）的温度依赖性，使驱动TFT的电特性变化与OLED的温度响应形成互补，最终抵消温度波动引发的亮度失衡和色彩偏移。该方案无需改变器件整体结构和现有制造工艺，仅通过调整布局设计即可实现，具备良好的工艺兼容性和规模化应用潜力。
图2. 不同接触孔结构的薄膜晶体管测试元件组设计：(a)~(c) TFT栅极上方为不同接触孔结构的无孔、单孔、双孔布局俯视图；(d)~(f)沿虚线 A–A’、B–B’、C–C’的对应截面图；(g)~(i) 接触孔密度增大时的脱氢行为示意图
（一）接触孔密度调控的核心作用机制
接触孔是层间电介质中的开口结构，主要作用是为堆叠金属层提供垂直电连接，而其密度会直接影响LTPS驱动TFT的脱氢过程，进而改变器件的陷阱密度和阈值电压温度敏感性，这是整个技术方案的物理基础。在AMOLED面板的制造过程中，沉积的氮化硅（SiNx）基层间电介质中含有固有氢元素，预图案化热退火阶段，这些氢会扩散至有源层，实现沟道缺陷的钝化；而在接触孔图案化后的后热退火阶段，接触孔会成为氢脱附的通道，使LTPS沟道和栅极绝缘层区域的氢通过接触孔释放，导致栅极绝缘层/沟道界面及沟道层内的陷阱密度增加。
研究团队发现，接触孔的数量直接决定了氢脱附的效率：接触孔密度越高，氢释放越显著，陷阱密度则越高；反之，接触孔密度越低，氢脱附越少，陷阱密度则越低。而陷阱密度的变化会直接影响p型LTPS TFT阈值电压的温度敏感性—— 低温度下，热能量减少会提升陷阱占有率，被俘获的电荷会部分屏蔽栅极感应电场，导致p型LTPS TFT的阈值电压向负方向偏移；高温度下，载流子从陷阱态的发射增强，陷阱占有率降低，屏蔽效应减弱，阈值电压向正方向偏移。陷阱密度越高，这种温度依赖的陷阱占有率调制越显著，阈值电压的温度敏感性也就越强。通过调控接触孔密度，即可实现对驱动TFT阈值电压温度响应特性的精准调谐。
同时，研究团队通过实验验证，接触孔密度调制引发的陷阱密度变化，不会对驱动TFT的可靠性产生实质性影响。在正偏压温度应力（PBTS）和负偏压温度应力（NBTS）测试中，不同接触孔密度的TFT器件未表现出与接触孔密度相关的一致性劣化趋势，证明该结构调控方案在提升温度稳定性的同时，能保证器件的长期工作可靠性。
图3. 不同温度条件下接触孔结构测试元件组的实测电学特性：(a)~(c)无孔、单孔、双孔结构在不同温度下的转移特性曲线；(d) 阈值电压随温度的变化规律；(e) 导通电流随温度的变化规律；(f) 迁移率随温度的变化规律
（二）器件级测试：验证接触孔密度与TFT电特性的关联规律
为量化接触孔密度对驱动TFT电特性的影响，研究团队制作了专用的测试元件组（TEG），采用与实际像素电路中一致的p型LTPS TFT，在栅极区域的固定布局窗口内设置无孔、1孔、2孔三种接触孔配置，其余几何参数保持完全一致，以孤立接触孔密度的结构效应。
器件级测试结果清晰验证了接触孔密度与TFT电特性的关联规律：
陷阱密度随接触孔密度提升而增加：无孔、1孔、2孔结构的陷阱密度分别为7.9×1011、1.0×1012、1.1×1012/cm.eV，亚阈值摆幅（SS）也从无孔结构的0.38V/dec升至2孔结构的 0.50 V/dec，与陷阱密度的变化趋势一致；
阈值电压温度敏感性显著提升：无孔结构的阈值电压温度灵敏度为7 mV/℃，1孔和2孔结构分别提升至10mV/℃和12mV/℃，相对提升幅度达48%和75%；导通电流的温度变化率随接触孔密度增加而增大，而迁移率的温度变化率在不同接触孔密度下差异极小，证明阈值电压变化是导致驱动 TFT 电流温度响应差异的核心因素，而非迁移率变化。
上述测试结果为后续面板级的子像素级设计优化提供了明确的参数依据：通过调整接触孔密度，可精准控制驱动 TFT 的阈值电压温度敏感性，进而调控其输出电流的温度响应特性。
图4. (a) LTPO像素电路原理图，突出显示了接触孔结构经改性的DTFT（T1）区域；(b) 刷新帧与跳帧的工作时序图；(c) 子像素驱动薄膜晶体管的布局图：蓝色子像素包含无孔、单孔（基准）、双孔三种结构，而红色和绿色子像素在所有测试方案中均采用完全相同的布局
（三）面板级实现：针对高敏感子像素的定向设计优化
在13英寸串联式LTPO AMOLED面板上，研究团队完成了技术方案的实际落地与验证，核心设计思路为针对温度敏感性最高的子像素进行定向接触孔密度调制，其余子像素保持原有结构作为对照组，最大化补偿效果的同时简化设计。
实验中发现，测试面板的蓝色子像素表现出最显著的温度诱导型亮度变化，因此研究团队仅对蓝色子像素的驱动TFT接触孔配置进行调整，保留红、绿子像素的1孔基准结构。蓝色子像素分别采用无孔、1孔（基准）、2孔三种配置，面板的像素电路采用支持可变刷新率（VRR）的LTPO架构，包含初始化、数据写入与阈值电压补偿、复位、发光四个阶段，能有效保留接触孔密度调制带来的阈值电压补偿效应，同时在跳帧模式下维持稳定的发光特性。
值得注意的是，该方案的核心是调控驱动TFT的热学和电学特性，而非OLED器件本身，因此不受红、绿、蓝OLED材料体系差异的限制，可根据不同面板的子像素温度敏感性分布，灵活应用于任意子像素的设计优化，具备极强的通用性。
图5. 不同蓝色子像素接触孔结构下，红、绿、蓝三子像素的实测亮度变化：(a) 25℃与40℃之间的亮度变化量；(b) 25℃与10℃之间的亮度变化量；(c) 25℃与40℃之间相对亮度变化的雷达图；(d) 25℃与10℃之间相对亮度变化的雷达图
样品测试：亮度稳定性大幅提升，色彩偏差显著降低
研究团队在10℃、25℃、40℃三个典型温度条件下，对不同接触孔配置的AMOLED面板进行了亮度和色彩特性测试，以0.5 nit的白色亮度为测试条件，从子像素亮度变化、整体色彩偏移两个维度验证技术方案的实际效果，结果显示，接触孔密度调制能有效抑制温度诱导的画质劣化，2孔结构的优化效果最为显著。
（一）子像素亮度失衡问题得到根本改善
红、绿子像素因保持1孔基准结构，在所有温度条件下的亮度变化均无明显差异，而蓝色子像素的亮度变化随接触孔密度的提升呈现出显著的稳定化趋势，与红、绿子像素的亮度平衡度大幅提升：
与1孔基准结构相比，无孔结构的蓝色子像素亮度温度依赖性显著增强，40℃下亮度变化幅度增加约80%，10℃下增加约50%，进一步加剧了三原色子像素的亮度失衡；2孔结构则大幅降低了蓝色子像素的亮度波动，40℃下亮度变化幅度较1孔基准结构减少27%，10℃下减少18%，有效抵消了蓝色子像素与红、绿子像素之间的亮度响应差异，实现了三原色子像素在不同温度下的亮度平衡。
这一效果的核心原理是：驱动TFT阈值电压的温度变化引发的亮度变化，与OLED本身的温度诱导亮度变化呈现反向互补特性，2孔结构带来的更高阈值电压温度敏感性，使驱动TFT的电流变化能有效抵消OLED的亮度波动，而像素电路中的踢回电压效应进一步放大了这种补偿作用 —— 阈值电压的温度变化越大，踢回效应越显著，对OLED亮度波动的抑制效果也就越强。
图6. 不同蓝色子像素接触孔结构下的实测色彩偏移：(a) 25℃与40℃之间的色彩偏移量；(b) 25℃与10℃之间的色彩偏移量；(c) CIE1976色彩空间的色坐标
（二）色彩偏移显著降低，画质温度稳定性大幅提升
亮度平衡的改善直接转化为显示屏色彩稳定性的提升，研究团队通过CIE 1976 u′v′色度图中的Δu′v′值量化色彩偏差，结果显示2孔结构实现了色彩偏移的大幅降低：
40℃高温条件：1孔基准结构的Δu′v′值为0.008，无孔结构升至0.030，色彩偏差恶化288%；而2孔结构将Δu′v′值降至0.002，较基准结构实现73% 的色彩偏差降低；
10℃低温条件：1孔基准结构的Δu′v′值为0.017，无孔结构升至0.042，色彩偏差恶化149%；2孔结构则将Δu′v′值降至0.010，较基准结构实现42%的色彩偏差降低。
色度图的坐标映射结果进一步验证了该效果：40℃时，蓝色子像素的相对亮度显著上升，导致白色点向左侧下方偏移；10℃时，蓝色子像素的相对亮度显著下降，白色点向右侧上方偏移；而随着接触孔密度从无孔提升至2孔，蓝色子像素的温度诱导亮度变化逐渐减小，白色点的偏移幅度显著降低，最终趋近于室温下的目标白色点，实现了不同温度下的色彩稳定。
DOI：10.1007/s44469-026-00010-z