Dünnschichttransistor - Thin-film transistor

Mehrere Arten von TFT-Konstruktionen.

Ein Dünnfilmtransistor ( TFT ) ist eine spezielle Art von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der durch Abscheiden von dünnen Filmen einer aktiven Halbleiterschicht sowie der dielektrischen Schicht und metallischen Kontakten über einem tragenden (aber nicht -leitfähig) Substrat . Ein gängiges Substrat ist Glas , da TFTs hauptsächlich in Flüssigkristalldisplays (LCDs) eingesetzt werden. Dies unterscheidet sich von dem herkömmlichen Bulk - MOSFET - Transistors , wobei das Halbleitermaterial typischerweise istdas Substrat, wie beispielsweise ein Siliziumwafer .

Herstellung

TFTs können unter Verwendung einer Vielzahl von Halbleitermaterialien hergestellt werden. Ein gängiges Material ist Silizium . Die Eigenschaften eines siliziumbasierten TFT hängen vom kristallinen Zustand des Siliziums ab ; das heißt, die Halbleiterschicht kann entweder aus amorphem Silizium , mikrokristallinem Silizium bestehen oder kann zu Polysilizium getempert werden .

Andere Materialien, die als Halbleiter in TFTs verwendet wurden, umfassen Verbindungshalbleiter wie Cadmiumselenid oder Metalloxide wie Zinkoxid oder Hafniumoxid . Eine Anwendung für Hafniumoxid ist als Dielektrikum mit hohem . TFTs wurden auch unter Verwendung organischer Materialien hergestellt, die als organische Feldeffekttransistoren oder OTFTs bezeichnet werden.

Durch Verwendung von transparenten Halbleitern und transparenten Elektroden wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) können einige TFT-Bauelemente vollständig transparent gemacht werden. Solche transparenten TFTs (TTFTs) können zum Aufbau von Videoanzeigetafeln verwendet werden. Da herkömmliche Substrate hohen Glühtemperaturen nicht standhalten können, muss der Abscheidungsprozess bei relativ niedrigen Temperaturen abgeschlossen werden. Chemische Gasphasenabscheidung und physikalische Gasphasenabscheidung (normalerweise Sputtern ) werden angewendet. Die ersten lösungsverarbeiteten TTFTs auf Basis von Zinkoxid wurden 2003 von Forschern der Oregon State University veröffentlicht . Das portugiesische Labor CENIMAT an der Universidade Nova de Lisboa hat den weltweit ersten vollständig transparenten TFT bei Raumtemperatur hergestellt. CENIMAT hat auch den ersten Papiertransistor entwickelt, der zu Anwendungen wie Zeitschriften und Zeitschriftenseiten mit Bewegtbild führen kann.

Während der Produktion werden TFTs mit Lasern, Tintenspendern und Chemical Vapour Deposition (CVD) repariert.

Anwendungen

Die bekannteste Anwendung von Dünnschichttransistoren sind TFT-LCDs , eine Implementierung der Flüssigkristalldisplay- Technologie. Transistoren sind in das Panel selbst eingebettet, um das Übersprechen zwischen Pixeln zu reduzieren und die Bildstabilität zu verbessern.

Ab 2008 verwenden viele LCD-Farbfernseher und -monitore diese Technologie. TFT-Panels werden häufig in digitalen Radiographieanwendungen in der allgemeinen Radiographie verwendet. Ein TFT wird sowohl bei der direkten als auch bei der indirekten Erfassung als Basis für den Bildempfänger in der medizinischen Radiographie verwendet .

Seit 2013 verwenden alle modernen hochauflösenden und hochwertigen elektronischen Bildschirmgeräte TFT-basierte Aktivmatrix- Displays.

AMOLED- Displays enthalten außerdem eine TFT-Schicht zur Aktiv-Matrix- Pixel-Adressierung einzelner organischer Leuchtdioden .

Der vorteilhafteste Aspekt der TFT-Technologie ist die Verwendung eines separaten Transistors für jedes Pixel auf dem Display. Da jeder Transistor klein ist, ist auch die zu seiner Steuerung erforderliche Ladungsmenge gering. Dies ermöglicht ein sehr schnelles Neuzeichnen der Anzeige.

Aufbau einer TFT-Display-Matrix

Dieses Bild enthält nicht die eigentliche Lichtquelle (normalerweise Kaltkathoden-Leuchtstofflampen oder weiße LEDs ), nur die TFT-Display-Matrix.

Geschichte

Im Februar 1957 meldete John Wallmark von RCA ein Patent für einen Dünnschicht-MOSFET an, bei dem Germaniummonoxid als Gate-Dielektrikum verwendet wurde. Paul K. Weimer , auch von RCA implementiert Wallmark Ideen und entwickelt , um den Dünnschichttransistor (TFT) im Jahr 1962, eine Art von MOSFET unterscheidet mich von dem Standard - Bulk - MOSFET. Es wurde mit dünnen Schichten von Cadmiumselenid und Cadmiumsulfid hergestellt . 1966 TP Brody und HE Kunig bei Westinghouse Electric hergestellt Indiumarsenid (InAs) MOS TFTs in beiden Verarmungs und Anreicherungsmodus .

Die Idee eines TFT-basierten Flüssigkristalldisplays (LCD) wurde 1968 von Bernard J. Lechner von RCA Laboratories entwickelt . Lechner, FJ Marlowe, EO Nester und J. Tults demonstrierten das Konzept 1968 mit einem 18x2-Matrix- LCD mit dynamischer Streuung die standardmäßige diskrete MOSFETs verwendeten, da die TFT-Leistung zu dieser Zeit nicht ausreichend war. 1973 entwickelten T. Peter Brody , JA Asars und GD Dixon von den Westinghouse Research Laboratories einen CdSe ( Cadmiumselenid ) TFT, mit dem sie das erste CdSe- Dünnschichttransistor-Flüssigkristalldisplay (TFT-LCD) demonstrierten . Die Westinghouse-Gruppe berichtete 1973 auch über die operative TFT- Elektrolumineszenz (EL) unter Verwendung von CdSe. Brody und Fang-Chen Luo demonstrierten 1974 das erste flache Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplay (AM LCD) mit CdSe, und dann prägte Brody 1975 den Begriff "Aktivmatrix". Eine Massenproduktion dieses Geräts wurde jedoch nie realisiert. aufgrund von Komplikationen bei der Steuerung der Materialeigenschaften des Verbindungshalbleiter-Dünnfilms und der Zuverlässigkeit der Vorrichtung über große Bereiche.

Ein Durchbruch in der TFT-Forschung gelang 1979 mit der Entwicklung des amorphen Siliziums (a-Si) durch PG le Comber, WE Spear und A. Ghaith an der University of Dundee . Sie berichteten über den ersten funktionellen TFT aus hydriertem a-Si mit einer Siliziumnitrid - Gate - Dielektrikum - Schicht. Der a-Si-TFT wurde bald als geeigneter für ein großflächiges AM-LCD erkannt. Dies führte in Japan zur kommerziellen Forschung und Entwicklung (F&E) von AM-LCD-Panels auf Basis von a-Si-TFTs.

Bis 1982 wurden in Japan Taschen- LCD-Fernseher auf Basis der AM-LCD-Technologie entwickelt. 1982, Fujitsu 's S. Kawai fabriziert einen a-Si - Punktmatrix - Display , und Canon ' s Y. Okubo hergestellter a-Si - nematischen verdrillt (TN) und Gast-Wirt - LCD - Panels. 1983 Toshiba hergestellt ist K. Suzuki a-Si - TFT - Arrays kompatibel mit CMOS - Schaltungen integriert (IC), M. Sugata Canon einen a-Si hergestellt Farb - LCD - Panel, und ein gemeinsame Sanyo und Sanritsu Team einschließlich Mitsuhiro Yamasaki, S. Suhibuchi und Y. Sasaki stellten einen 3-Zoll- a-SI-LCD-Farbfernseher her.

Das erste kommerzielle TFT-basierte AM-LCD-Produkt war der 2,1-Zoll- Epson ET-10 (Epson Elf), der erste Farb-LCD-Taschenfernseher, der 1984 auf den Markt kam. 1986 demonstrierte ein Hitachi- Forschungsteam unter der Leitung von Akio Mimura einen Niedertemperatur- Prozess aus polykristallinem Silizium (LTPS) zur Herstellung von n-Kanal- TFTs auf einem Silizium-auf-Isolator (SOI) bei einer relativ niedrigen Temperatur von 200 °C . Ein Hosiden- Forschungsteam unter der Leitung von T. Sunata verwendete 1986 a-Si-TFTs, um ein 7-Zoll-AM-LCD-Farbpanel und ein 9-Zoll-AM-LCD-Panel zu entwickeln. In den späten 1980er Jahren lieferte Hosiden monochrome TFT-LCD-Panels an Apple Computers . 1988 verwendete ein Sharp- Forschungsteam unter der Leitung des Ingenieurs T. Nagayasu hydrierte a-Si-TFTs, um ein 14-Zoll-Vollfarb-LCD-Display zu demonstrieren, das die Elektronikindustrie davon überzeugte , dass LCD die Kathodenstrahlröhre (CRT) als Standard- TV- Display-Technologie . Im selben Jahr brachte Sharp TFT-LCD-Panels für Notebook-PCs auf den Markt . 1992 stellten Toshiba und IBM Japan ein 12,1-Zoll- SVGA -Farbdisplay für den ersten kommerziellen Farblaptop von IBM vor .

TFTs können auch aus Indium-Gallium-Zink-Oxid ( IGZO ) hergestellt werden. TFT-LCDs mit IGZO-Transistoren tauchten erstmals 2012 auf und wurden erstmals von der Sharp Corporation hergestellt. IGZO ermöglicht höhere Bildwiederholraten und einen geringeren Stromverbrauch. 2021 wurde der erste flexible 32-Bit-Mikroprozessor mit der IGZO-TFT-Technologie auf einem Polyimid- Substrat hergestellt.

Siehe auch

Verweise