Тонкопленочный транзистор ( TFT ) — это особый тип полевого транзистора (FET), в котором транзистор изготавливается методом осаждения тонкой пленки . TFT выращиваются на несущей (но непроводящей) подложке , например на стекле . Это отличается от обычного полевого транзистора с объемным оксидом металла ( MOSFET ), где полупроводниковым материалом обычно является подложка, например кремниевая пластина . [1] Традиционное применение TFT — жидкокристаллические TFT-дисплеи .
Схема поперечного сечения четырех распространенных структур тонкопленочных транзисторов
Поскольку TFT выращиваются на инертных подложках, а не на пластинах, полупроводник необходимо наносить с помощью специального процесса. Для нанесения полупроводников в TFT используются различные методы. К ним относятся химическое осаждение из паровой фазы (CVD), атомно-слоевое осаждение (ALD) и распыление . Полупроводник также можно осаждать из раствора [12] с помощью таких методов, как печать [13] или напыление. [14] Ожидается, что методы, основанные на решениях, приведут к созданию недорогой и механически гибкой электроники. [15] Поскольку типичные подложки деформируются или плавятся при высоких температурах, процесс осаждения должен проводиться при относительно низких температурах по сравнению с традиционной обработкой электронных материалов. [16]
Некоторые полупроводники с широкой запрещенной зоной, особенно оксиды металлов, оптически прозрачны. [17] Используя также прозрачные подложки, такие как стекло, и прозрачные электроды , такие как оксид индия и олова (ITO), некоторые TFT-устройства могут быть полностью оптически прозрачными. [18] Такие прозрачные TFT (TTFT) можно использовать для включения проекционных дисплеев (например, на лобовом стекле автомобиля). О первых TTFT, обработанных в растворе, на основе оксида цинка , сообщили в 2003 году исследователи из Университета штата Орегон . [19] Португальская лаборатория CENIMAT в Новом университете Лиссабона изготовила первый в мире полностью прозрачный TFT-экран при комнатной температуре. [20] CENIMAT также разработала первый бумажный транзистор, [21] который может найти применение в таких приложениях, как журналы и страницы журналов с движущимися изображениями.
Во многих дисплеях AMOLED используются транзисторы LTPO TFT. Эти транзисторы обеспечивают стабильность при низкой частоте обновления и переменной частоте обновления, что позволяет использовать энергосберегающие дисплеи без визуальных артефактов. [22] [23] [24] В больших OLED-дисплеях вместо них обычно используются TFT-транзисторы AOS (ампорфно-оксид-полупроводник), также называемые оксидными TFT [25] , и они обычно основаны на IGZO. [26]
По состоянию на 2008 год эту технологию используют [обновлять]многие цветные ЖК-телевизоры и мониторы. TFT-панели часто используются в цифровой рентгенографии и общей рентгенографии. TFT используется как при прямом, так и при непрямом захвате [ жаргон ] в качестве основы для рецептора изображения в медицинской рентгенографии .
Наиболее выгодным аспектом технологии TFT является использование отдельного транзистора для каждого пикселя дисплея. Поскольку каждый транзистор мал, количество заряда, необходимого для его управления, также невелико. Это позволяет очень быстро перерисовывать изображение.
Идея жидкокристаллического дисплея (ЖКД) на основе TFT была предложена Бернардом Дж. Лехнером из RCA Laboratories в 1968 году. [34] Лехнер, Ф.Дж. Марлоу, Э.О. Нестер и Дж. Талтс продемонстрировали эту концепцию в 1968 году с матрицей 18x2. ЖК-дисплей с динамическим рассеянием , в котором использовались стандартные дискретные МОП-транзисторы, поскольку характеристики TFT в то время были недостаточными. [35] В 1973 году Т. Питер Броуди , Дж. Асарс и Дж. Д. Диксон из Westinghouse Research Laboratories разработали CdSe (селенид кадмия) TFT, который они использовали для демонстрации первого жидкокристаллического дисплея с тонкопленочным транзистором CdSe (TFT LCD). . [31] [36] Группа Вестингауза также сообщила об эксплуатации электролюминесценции (ЭЛ) TFT в 1973 году с использованием CdSe. [37] Броуди и Фанг-Чен Луо продемонстрировали первый плоский жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AM LCD) с использованием CdSe в 1974 году, а затем Броуди ввел термин «активная матрица» в 1975 году . [34] Однако массовое производство это устройство так и не было реализовано из-за сложностей в управлении свойствами тонкопленочного материала сложного полупроводника и надежности устройства на больших площадях. [31]
Прорыв в исследованиях TFT произошел с разработкой аморфного кремния (a-Si) TFT П.Г. Ле Комбером, У.Э. Спиром и А. Гейтом в Университете Данди в 1979 году. Они сообщили о первом функциональном TFT, изготовленном из гидрированного a-Si. с диэлектрическим слоем затвора из нитрида кремния . [31] [38] Вскоре было признано, что a-Si TFT более подходит для AM-ЖК-дисплеев большой площади. [31] Это привело к коммерческим исследованиям и разработкам (НИОКР) ЖК-панелей AM на основе a-Si TFT в Японии. [39]
К 1982 году в Японии были разработаны карманные телевизоры на основе технологии AM LCD. [40] В 1982 году компания Fujitsu S. Kawai изготовила точечно-матричный дисплей a-Si , а компания Canon Y. Okubo изготовила витой нематик (TN) a-Si и гостевые ЖК-панели. В 1983 году компания K. Suzuki из Toshiba произвела матрицы a-Si TFT, совместимые с интегральными схемами (ИС) CMOS (дополнительные металл-оксид-полупроводник) , компания M. Sugata из Canon изготовила цветную ЖК- панель a-Si, а также совместную продукцию Sanyo и Команда Sanritsu , в которую вошли Мицухиро Ямасаки, С. Сухибути и Ю. Сасаки, изготовила 3-дюймовый цветной ЖК-телевизор a-SI. [39]
Первым коммерческим продуктом AM LCD на основе TFT был 2,1-дюймовый Epson [41] [42] [43] ET-10 [37] (Epson Elf), первый карманный цветной ЖК-телевизор, выпущенный в 1984 году. [44] В В 1986 году исследовательская группа Hitachi под руководством Акио Мимуры продемонстрировала процесс низкотемпературного поликристаллического кремния (LTPS) для изготовления n-канальных TFT на кремнии на изоляторе (SOI) при относительно низкой температуре 200 ° C. [45] Исследовательская группа Хосидена под руководством Т. Суната в 1986 году использовала a-Si TFT для разработки 7-дюймовой цветной AM-ЖК-панели, [46] и 9-дюймовой AM-ЖК-панели. [47] В конце 1980-х годов Hosiden поставлял монохромные TFT ЖК-панели для Apple Computer . [31] В 1988 году исследовательская группа Sharp под руководством инженера Т. Нагаясу использовала гидрогенизированные a-Si TFT для демонстрации 14-дюймового полноцветного ЖК-дисплея, [34] [48] который убедил электронную промышленность в том, что ЖК-дисплеи в конечном итоге заменят электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) как стандартная технология телевизионного отображения . [34] В том же году Sharp выпустила ЖК-панели TFT для ноутбуков . [37] В 1992 году Toshiba и IBM Japan представили 12,1-дюймовую цветную SVGA- панель для первого коммерческого цветного ноутбука IBM . [37]
TFT также могут быть изготовлены из оксида индия-галлия-цинка ( IGZO ). TFT-ЖК-дисплеи с IGZO-транзисторами впервые появились в 2012 году и были впервые произведены корпорацией Sharp. IGZO обеспечивает более высокую частоту обновления и более низкое энергопотребление. [49] [50] В 2021 году по технологии IGZO TFT на полиимидной подложке был изготовлен первый гибкий 32-битный микропроцессор . [51]
^ Рана, В.; Исихара, Р.; Хиросима, Ю.; Кровать.; Иноуэ, С.; Симода, Т.; Метселаар, В.; Бенаккер, К. (2005). «Зависимость характеристик монокристаллического Si TFT от положения канала внутри локационного зерна». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 52 (12): 2622–2628. Бибкод : 2005ITED...52.2622R. дои : 10.1109/TED.2005.859689. ISSN 1557-9646. S2CID 12660547.
^ Кимура, Муцуми; Нодзава, Рёичи; Иноуэ, Сатоши; Симода, Тацуя; Луи, Бэзил; Тэм, Саймон Винг-Бан; Мильорато, Пьеро (1 сентября 2001 г.). «Извлечение ловушечных состояний на границе раздела оксид-кремний и границе зерен для тонкопленочных транзисторов из поликристаллического кремния». Японский журнал прикладной физики . 40 (9R): 5227. Бибкод : 2001JaJAP..40.5227K. дои : 10.1143/jjap.40.5227. ISSN 0021-4922. S2CID 250837849.
^ Луи, Бэзил; Тэм, юго-запад Б.; Мильорато, П.; Симода, Т. (1 июня 2001 г.). «Метод определения объемной и интерфейсной плотности состояний тонкопленочных транзисторов». Журнал прикладной физики . 89 (11): 6453–6458. Бибкод : 2001JAP....89.6453L. дои : 10.1063/1.1361244. ISSN 0021-8979.
^ Броуди, Т. Питер (ноябрь 1984 г.). «Тонкопленочный транзистор - позднее расцвет». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 31 (11): 1614–1628. Бибкод : 1984ITED...31.1614B. дои : 10.1109/T-ED.1984.21762. S2CID 35904114.
^ Броуди, Т. Питер (1996). "Рождение и раннее детство активной матрицы - личные воспоминания". Журнал СИД . 4/3 : 113–127.
^ Петти, Луиза; Мюнценридер, Нико; Фогт, Кристиан; Фабер, Хендрик; Бюте, Ларс; Кантарелла, Джузеппе; Боттакки, Франческа; Антопулос, Томас Д.; Трёстер, Герхард (01 июня 2016 г.). «Металлоксидно-полупроводниковые тонкопленочные транзисторы для гибкой электроники». Обзоры прикладной физики . 3 (2): 021303. Бибкод : 2016ApPRv...3b1303P. дои : 10.1063/1.4953034. hdl : 20.500.11850/117450 .
^ Лэмпорт, Закари А.; Ханиф, Хамна Ф.; Ананд, Саджант; Уолдрип, Мэтью; Юрческу, Оана Д. (17 августа 2018 г.). «Учебное пособие: Органические полевые транзисторы: Материалы, устройство и работа». Журнал прикладной физики . 124 (7): 071101. Бибкод : 2018JAP...124g1101L. дои : 10.1063/1.5042255. ISSN 0021-8979. S2CID 116392919.
^ Джаривала, Дип; Сангван, Винод К.; Лаухон, Линкольн Дж.; Маркс, Тобин Дж.; Херсам, Марк К. (11 марта 2013 г.). «Углеродные наноматериалы для электроники, оптоэлектроники, фотовольтаики и сенсорики». Обзоры химического общества . 42 (7): 2824–2860. arXiv : 1402.0046 . дои : 10.1039/C2CS35335K. ISSN 1460-4744. PMID 23124307. S2CID 26123051.
^ Линь, Йен-Хун; Паттанасаттаявонг, Пичая; Антопулос, Томас Д. (2017). «Металло-галогенид-перовскитные транзисторы для печатной электроники: проблемы и возможности». Передовые материалы . 29 (46): 1702838. Бибкод : 2017AdM....2902838L. дои : 10.1002/adma.201702838. hdl : 10754/625882 . ISSN 1521-4095. PMID 29024040. S2CID 205281664.
^ Томас, Стюарт Р.; Паттанасаттаявонг, Пичая; Антопулос, Томас Д. (22 июля 2013 г.). «Металооксидные полупроводники, обрабатываемые в растворе, для тонкопленочных транзисторов». Обзоры химического общества . 42 (16): 6910–6923. дои : 10.1039/C3CS35402D. ISSN 1460-4744. ПМИД 23770615.
^ Тейхлер, Анке; Перелаер, Йолке; Шуберт, Ульрих С. (14 февраля 2013 г.). «Струйная печать органической электроники – сравнение методов нанесения и современных разработок». Журнал химии материалов C. 1 (10): 1910–1925. дои : 10.1039/C2TC00255H. ISSN 2050-7534.
^ Башир, Аника; Вёбкенберг, Пол Х.; Смит, Джереми; Болл, Джеймс М.; Адамопулос, Джордж; Брэдли, Донал, округ Колумбия; Антопулос, Томас Д. (2009). «Высокоэффективные оксидно-цинковые транзисторы и схемы, изготовленные методом распылительного пиролиза в окружающей атмосфере». Передовые материалы . 21 (21): 2226–2231. Бибкод : 2009AdM....21.2226B. дои : 10.1002/adma.200803584. hdl : 10044/1/18897 . ISSN 1521-4095. S2CID 137260075.
^ Браттон, SD (2013). Введение в тонкопленочные транзисторы: физика и технология тонкопленочных транзисторов. Международное издательство Спрингер. ISBN978-3-319-00001-5.
^ Камия, Тошио; Хосоно, Хидео (2010). «Характеристики материалов и применение прозрачных аморфных оксидных полупроводников». Материалы НПГ Азия . 2 (1): 15–22. дои : 10.1038/asiamat.2010.5 . ISSN 1884-4057.
^ Номура, Кендзи; Охта, Хиромичи; Уэда, Казусигэ; Камия, Тошио; Хирано, Масахиро; Хосоно, Хидео (23 мая 2003 г.). «Тонкопленочный транзистор, изготовленный из монокристаллического прозрачного оксидного полупроводника». Наука . 300 (5623): 1269–1272. Бибкод : 2003Sci...300.1269N. дои : 10.1126/science.1083212. PMID 12764192. S2CID 20791905.
^ Вейгер, Джон. Инженеры OSU создали первый в мире прозрачный транзистор. Архивировано 15 сентября 2007 г. в Wayback Machine . Инженерный колледж Университета штата Орегон, Корваллис, Орегон: OSU News & Communication, 2003. 29 июля 2007 г.
^ Достижения в области полупроводниковых технологий: избранные темы, выходящие за рамки обычных КМОП. Джон Уайли и сыновья. 11 октября 2022 г. ISBN978-1-119-86958-0.
^ Броуди, ТП; Куниг, HE (октябрь 1966 г.). «ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ТРАНЗИСТОР InAs С ВЫСОКИМ УВЕЛИЧЕНИЕМ». Письма по прикладной физике . 9 (7): 259–260. Бибкод : 1966ApPhL...9..259B. дои : 10.1063/1.1754740 . ISSN 0003-6951.
^ Веймер, Пол К. (июнь 1962 г.). «TFT — новый тонкопленочный транзистор». Труды ИРЭ . 50 (6): 1462–9. doi : 10.1109/JRPROC.1962.288190. ISSN 0096-8390. S2CID 51650159.
^ abcdef Куо, Юэ (1 января 2013 г.). «Технология тонкопленочных транзисторов — прошлое, настоящее и будущее» (PDF) . Интерфейс электрохимического общества . 22 (1): 55–61. Бибкод : 2013ECSIn..22a..55K. дои : 10.1149/2.F06131if . ISSN 1064-8208.
^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Спрингер. стр. 322–4. ISBN978-3540342588.
^ Ричард Аронс (2012). «Промышленные исследования в области микросхем в RCA: первые годы, 1953–1963». IEEE Анналы истории вычислений . 12 (1): 60–73.
^ abcd Кавамото, Х. (2012). «Изобретатели ЖК-дисплея с активной матрицей TFT получают медаль Нисизавы IEEE 2011». Журнал дисплейных технологий . 8 (1): 3–4. Бибкод : 2012JDisT...8....3K. дои : 10.1109/JDT.2011.2177740. ISSN 1551-319Х.
^ Кастеллано, Джозеф А. (2005). Жидкое золото: история жидкокристаллических дисплеев и создания индустрии. Всемирная научная . стр. 41–2. ISBN9789812389565.
^ Броуди, Т. Питер ; Асарс, Дж.А.; Диксон, Джорджия (ноябрь 1973 г.). «Жидкокристаллический дисплей размером 6 × 6 дюймов, 20 строк на дюйм». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 20 (11): 995–1001. Бибкод : 1973ITED...20..995B. дои : 10.1109/T-ED.1973.17780. ISSN 0018-9383.
^ Комбер, PG ле; Копье, МЫ; Гейт, А. (1979). «Полевой прибор из аморфного кремния и возможности его применения». Электронные письма . 15 (6): 179–181. Бибкод : 1979ElL....15..179L. дои : 10.1049/эл: 19790126. ISSN 0013-5194.
^ аб Кастеллано, Джозеф А. (2005). Жидкое золото: история жидкокристаллических дисплеев и создания индустрии. Всемирная научная . стр. 180, 181, 188. ISBN.9789812565846.
^ Морозуми, Синдзи; Огучи, Коичи (12 октября 1982 г.). «Текущее состояние развития ЖК-телевизоров в Японии». Молекулярные кристаллы и жидкие кристаллы . 94 (1–2): 43–59. дои : 10.1080/00268948308084246. ISSN 0026-8941.
^ US6580129B2, Луи, Бэзил; Мильорато, Пьеро и Юдасака, Ичио и др., «Тонкопленочный транзистор и метод его изготовления», выпущено 17 июня 2003 г.
^ US6548356B2, Луи, Бэзил; Мильорато, Пьеро и Юдасака, Ичио и др., «Тонкопленочный транзистор», выпущено 15 апреля 2003 г.
^ Кимура, Муцуми; Иноуэ, Сатоши; Симода, Тацуя; Луи, Бэзил; Френч, Уильям; Камохара, Итару; Мильорато, Пьеро (2001). «Разработка моделей поликремниевых TFT для моделирования устройств: модель ловушки в плоскости и модель термоэлектронной эмиссии». Протокол конференции SID Международной конференции по исследованию дисплеев (на японском языке): 423–426. ISSN 1083-1312.