Tranzystor cienkowarstwowy - Thin-film transistor

Ten artykuł dotyczy technologii TFT. W przypadku wyświetlacza ciekłokrystalicznego z tranzystorami cienkowarstwowymi, patrz TFT LCD .

Kilka rodzajów konstrukcji TFT.

Tranzystor cienkowarstwowy ( TFT ) jest szczególnym typem metal-tlenek-półprzewodnik tranzystor polowy (MOSFET) wykonane przez nakładanie cienkich warstw na aktywnym półprzewodnikowej warstwy jak również dielektrycznej warstwy i metalowych styków na nośnej (lecz nie -przewodzące) podłoże . Powszechnym podłożem jest szkło , ponieważ głównym zastosowaniem TFT są wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD). Różni się to od konwencjonalnego tranzystora MOSFET masowego , w którym materiał półprzewodnikowy zwykle jestpodłoże, takie jak wafel krzemowy .

Produkcja

TFT mogą być wykonane przy użyciu szerokiej gamy materiałów półprzewodnikowych. Powszechnym materiałem jest krzem . Charakterystyka TFT na bazie krzemu zależy od stanu krystalicznego krzemu ; to znaczy warstwa półprzewodnikowa może być albo amorficznym krzemem , krzemem mikrokrystalicznym albo może być wyżarzona do polikrzemu .

Inne materiały stosowane jako półprzewodniki w TFT obejmują półprzewodniki złożone, takie jak selenek kadmu , lub tlenki metali, takie jak tlenek cynku lub tlenek hafnu . Zastosowanie tlenku hafnu jest dielektrykiem o wysokiej κ . TFT zostały również wykonane z materiałów organicznych, określanych jako organiczne tranzystory polowe lub OTFT.

Dzięki zastosowaniu przezroczystych półprzewodników i przezroczystych elektrod , takich jak tlenek indowo-cynowy (ITO), niektóre urządzenia TFT mogą być całkowicie przezroczyste. Takie przezroczyste wyświetlacze TFT (TTFT) można wykorzystać do budowy paneli wideo. Ponieważ konwencjonalne podłoża nie mogą wytrzymać wysokich temperatur wyżarzania, proces osadzania musi być zakończony w stosunkowo niskich temperaturach. Stosowane jest chemiczne osadzanie z fazy gazowej oraz fizyczne osadzanie z fazy gazowej (zwykle rozpylanie ). Pierwsze TTFT przetwarzane w roztworze, oparte na tlenku cynku , zostały zgłoszone w 2003 r. przez naukowców z Oregon State University . Portugalskie laboratorium CENIMAT na Universidade Nova de Lisboa wyprodukowało pierwszy na świecie całkowicie przezroczysty TFT w temperaturze pokojowej. W ramach projektu CENIMAT opracowano także pierwszy papierowy tranzystor, który może znaleźć zastosowanie w czasopismach i stronach czasopism z ruchomymi obrazami.

Podczas produkcji wyświetlacze TFT są naprawiane za pomocą laserów, dozowników atramentu i chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).

Aplikacje

Najbardziej znanym zastosowaniem tranzystorów cienkowarstwowych są wyświetlacze LCD TFT , implementacja technologii wyświetlaczy ciekłokrystalicznych . Tranzystory są osadzone w samym panelu, zmniejszając przesłuch między pikselami i poprawiając stabilność obrazu.

Od 2008 r. wiele kolorowych telewizorów LCD i monitorów korzysta z tej technologii. Panele TFT są często używane w zastosowaniach radiografii cyfrowej w radiografii ogólnej. TFT jest używany zarówno w bezpośrednim, jak i pośrednim przechwytywaniu jako podstawa dla receptora obrazu w radiografii medycznej .

Od 2013 r. wszystkie nowoczesne elektroniczne wyświetlacze wizualne o wysokiej rozdzielczości i wysokiej jakości wykorzystują aktywne wyświetlacze matrycowe oparte na technologii TFT .

Wyświetlacze AMOLED zawierają również warstwę TFT do adresowania pikseli z aktywną matrycą poszczególnych organicznych diod elektroluminescencyjnych .

Najbardziej korzystnym aspektem technologii TFT jest zastosowanie osobnego tranzystora dla każdego piksela na wyświetlaczu. Ponieważ każdy tranzystor jest mały, ilość ładunku potrzebna do jego sterowania również jest niewielka. Pozwala to na bardzo szybkie przerysowanie wyświetlacza.

Struktura matrycy wyświetlacza TFT

Ten obraz nie zawiera rzeczywistego źródła światła (zwykle lamp fluorescencyjnych z zimną katodą lub białych diod LED ), tylko matrycę wyświetlacza TFT.

Historia

W lutym 1957 John Wallmark z RCA złożył patent na cienkowarstwowy tranzystor MOSFET, w którym jako dielektryk bramki zastosowano tlenek germanu. Paul K. Weimer , również RCA realizowane idei Wallmark i opracowali cienkowarstwowej tranzystora (TFT) 1962, typu MOSFET odróżnieniu od standardowego MOSFET masie. Został wykonany z cienkich warstw selenku kadmu i siarczku kadmu . W 1966 roku TP Brody i HE Kunig z Westinghouse Electric wyprodukowali TFT z arsenku indu (InAs) zarówno w trybie zubożenia, jak i wzmocnienia .

Pomysł na wyświetlacz ciekłokrystaliczny (LCD) oparty na TFT został opracowany przez Bernarda J. Lechnera z RCA Laboratories w 1968 roku. Lechner, FJ Marlowe, EO Nester i J. Tults zademonstrowali tę koncepcję w 1968 roku za pomocą matrycy LCD z dynamicznym rozpraszaniem 18x2 które wykorzystywały standardowe dyskretne tranzystory MOSFET, ponieważ wydajność TFT nie była wówczas odpowiednia. W 1973 r. T. Peter Brody , JA Asars i GD Dixon z Westinghouse Research Laboratories opracowali wyświetlacz TFT CdSe ( selenek kadmu ), którego użyli do zademonstrowania pierwszego wyświetlacza ciekłokrystalicznego z tranzystorem CdSe (TFT LCD). Grupa Westinghouse doniosła również o działającej elektroluminescencji TFT (EL) w 1973 r. przy użyciu CdSe. Brody i Fang-Chen Luo zademonstrowali pierwszy płaski wyświetlacz ciekłokrystaliczny z aktywną matrycą (AM LCD) wykorzystujący CdSe w 1974 roku, a następnie Brody ukuł termin „aktywna matryca” w 1975 roku. Jednak masowa produkcja tego urządzenia nigdy nie została zrealizowana, ze względu na komplikacje w kontrolowaniu właściwości cienkiego materiału półprzewodnikowego złożonego i niezawodność urządzenia na dużych obszarach.

Przełom w badaniach nad TFT nastąpił wraz z opracowaniem TFT z amorficznego krzemu (a-Si) przez PG le Comber, WE Spear i A. Ghaitha na Uniwersytecie Dundee w 1979 roku. Ogłosili pierwszy funkcjonalny TFT wykonany z uwodornionego a-Si z azotku krzemu bramy dielektrycznej warstwy. Wkrótce uznano, że monitor a-Si TFT jest bardziej odpowiedni dla wielkopowierzchniowych wyświetlaczy AM LCD. Doprowadziło to do komercyjnych badań i rozwoju (R&D) paneli AM LCD opartych na a-Si TFT w Japonii.

W 1982 roku w Japonii opracowano kieszonkowe telewizory LCD oparte na technologii AM LCD. W 1982 roku S. Kawai z Fujitsu wyprodukował wyświetlacz z matrycą punktową a-Si , a Y. Okubo z Canona wyprodukował panele LCD typu twisted nematic (TN) a -Si i gościnnie . W 1983 roku K. Suzuki z Toshiby wyprodukował macierze a-Si TFT kompatybilne z układami scalonymi CMOS , M. Sugata z Canon wyprodukował kolorowy panel LCD a-Si , a wspólny zespół Sanyo i Sanritsu , w tym Mitsuhiro Yamasaki, S. Suhibuchi i Y. Sasaki wyprodukowali 3-calowy kolorowy telewizor LCD a-SI.

Pierwszym komercyjnym produktem AM LCD opartym na technologii TFT był 2,1-calowy Epson ET-10 (Epson Elf), pierwszy kolorowy kieszonkowy telewizor LCD, wprowadzony na rynek w 1984 roku. W 1986 roku zespół badawczy Hitachi kierowany przez Akio Mimurę zademonstrował niską temperaturę proces wytwarzania polikrystalicznego krzemu (LTPS) w celu wytwarzania n-kanałowych TFT na krzemie na izolatorze (SOI) w stosunkowo niskiej temperaturze 200 °C . Zespół badawczy Hosiden kierowany przez T. Sunata w 1986 roku wykorzystał wyświetlacze TFT a-Si do opracowania 7-calowego kolorowego panelu AM LCD i 9-calowego panelu AM LCD. Pod koniec lat 80. firma Hosiden dostarczyła do Apple Computers monochromatyczne panele TFT LCD . W 1988 roku zespół badawczy firmy Sharp kierowany przez inżyniera T. Nagayasu wykorzystał uwodornione TFT a-Si do zademonstrowania 14-calowego, pełnokolorowego wyświetlacza LCD, co przekonało przemysł elektroniczny, że LCD ostatecznie zastąpi kineskop (CRT) jako standardowa technologia wyświetlania telewizji . W tym samym roku firma Sharp wprowadziła na rynek panele TFT LCD do notebooków . W 1992 roku Toshiba i IBM Japan wprowadziły 12,1-calowy kolorowy panel SVGA do pierwszego komercyjnego kolorowego laptopa firmy IBM .

TFT mogą być również wykonane z tlenku indowo-galowo-cynkowego ( IGZO ). Wyświetlacze TFT-LCD z tranzystorami IGZO pojawiły się po raz pierwszy w 2012 roku i po raz pierwszy zostały wyprodukowane przez Sharp Corporation. IGZO pozwala na wyższe częstotliwości odświeżania i mniejsze zużycie energii. W 2021 roku został wyprodukowany pierwszy elastyczny 32-bitowy mikroprocesor w technologii IGZO TFT na podłożu poliimidowym .

Zobacz też

Bibliografia