Жұқа пленкалық транзисторлар және TFT технологиясы

Кіріспе

Өрістік эффектті транзистор құрылғысы
TFT технологиясы

Жұқа пленкалы транзистор (TFT) – өрістік эффектті транзистордың (FET) ерекше түрі, онда транзистор жұқа пленканы жағу арқылы жасалады. TFT-лер шыны сияқты, тоқ өткізбейтін негізге (субстратқа) орналастырылады. Бұл, әдеттегі металл-оксидті өрістік эффектті транзистордан (MOSFET) өзгеше, онда жартылай өткізгіш материал әдетте кремний пластинасы сияқты негіз болып табылады. TFT-лердің негізгі қолданылуы – сұйық кристалды дисплейлерде.

Құрылыс және өндіріс

TFT-терді алу үшін әртүрлі жартылай өткізгіш материалдар қолданылуы мүмкін. Табиғатта көптеп кездесетін және жақсы зерттелгендіктен, аморфты немесе поликристалды кремний жартылай өткізгіш қабаты ретінде пайдаланылған (және қазір де қолданылуда). Дегенмен, аморфты кремнийдің төмен қозғалғыштығы және поликристалды кремнийдегі құрылғылар арасындағы айырмашылықтардың көп болуына байланысты, TFT-лерде қолдану үшін басқа материалдар да зерттелді. Оларға кадмий селениді, индий-галлий-мырыш оксиді (IGZO) немесе мырыш оксиді сияқты металл оксидтері, органикалық жартылай өткізгіштер, көміртек нанотүтікшелері немесе металл галидтері перовскиттері жатады. TFT-лер пластиналардың емес, инертті субстраттардың үстіне өсірілетіндіктен, жартылай өткізгішті арнайы процесте жағу қажет. TFT-лерде жартылай өткізгіштерді жағу үшін әртүрлі техникалар қолданылады. Оларға химиялық бу фазалық осалдау (ХВС), атомдық қабаттау (АҚҚ) және шашырату жатады. Жартылай өткізгішті ерітіндіден, мысалы, басып немесе бүрку арқылы да жағуға болады. Ерітіндіге негізделген техникалар төмен құнмен, механикалық түрде икемді электрониканы жасауға мүмкіндік береді деп күтілуде. Типтік субстраттар жоғары температурада деформацияланатыны немесе балқитыны болғандықтан, жағу процесі дәстүрлі электрондық материалдарды өңдеуге қарағанда салыстырмалы түрде төмен температурада жүргізілуі керек. Кейбір кең жолақты жартылай өткізгіштер, ең танымал металл оксидтері, оптикалық тұрғыдан мөлдір болады. Шыны сияқты мөлдір субстраттарды және индий-мырыш оксиді (ITO) сияқты мөлдір электродтарды қолдану арқылы кейбір TFT құрылғыларын толығымен оптикалық түрде мөлдір етуге болады. Мұндай мөлдір TFT-лер (TTFT) басқа дисплейлерді (мысалы, автомобильдің алдыңғы әйнегінде) жасау үшін қолданылуы мүмкін. Цинк оксидіне негізделген алғашқы ерітіндімен өңделген TTFT 2003 жылы Орегон штаты университетінің зерттеушілерімен жарияланды. Португалияның Universidade Nova de Lisboa-дағы CENIMAT зертханасы бөлме температурасында әлемдегі алғашқы толығымен мөлдір TFT-ні жасады. CENIMAT сондай-ақ алғашқы қағаз транзисторын жасады, ол жылжымалы суреттері бар журналдар мен беттер сияқты қолдануларға әкелуі мүмкін. Көптеген AMOLED дисплейлері LTPO (Төмен температуралы поликристалды кремний және оксид) TFT транзисторларын пайдаланады. Бұл транзисторлар төмен жаңарту жиілігінде тұрақтылықты және өзгермелі жаңарту жиілігін ұсынады, бұл визуалды бұрмалауларсыз энергияны үнемдейтін дисплейлерді жасауға мүмкіндік береді. Үлкен OLED дисплейлері әдетте AOS (аморфты оксидті жартылай өткізгіш) TFT транзисторларын пайдаланады, олар оксидті TFT деп те аталады және әдетте IGZO негізінде жасалады.

TFTs can be fabricated with a wide variety of semiconductor materials. Because it is naturally abundant and well understood, amorphous or polycrystalline silicon were (and still are) used as the semiconductor layer. However, because of the low mobility of amorphous silicon and the large device to device variations found in polycrystalline silicon, other materials have been studied for use in TFTs. These include cadmium selenide, metal oxides such as indium gallium zinc oxide (IGZO) or zinc oxide, organic semiconductors, carbon nanotubes, or metal halide perovskites. Because TFTs are grown on inert substrates, rather than on wafers, the semiconductor must be deposited in a dedicated process. A variety of techniques are used to deposit semiconductors in TFTs. These include chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), and sputtering. The semiconductor can also be deposited from solution, via techniques such as printing or spray coating. Solution based techniques are hoped to lead to low cost, mechanically flexible electronics. Because typical substrates will deform or melt at high temperatures, the deposition process must be carried out under relatively low temperatures compared to traditional electronic material processing. Some wide band gap semiconductors, most notable metal oxides, are optically transparent. By also employing transparent substrates, such as glass, and transparent electrodes, such as indium tin oxide (ITO), some TFT devices can be designed to be completely optically transparent. Such transparent TFTs (TTFTs) could be used to enable head up displays (such as on a car windshield). The first solution processed TTFTs, based on zinc oxide, were reported in 2003 by researchers at Oregon State University. The Portuguese laboratory CENIMAT at the Universidade Nova de Lisboa has produced the world's first completely transparent TFT at room temperature. CENIMAT also developed the first paper transistor, which may lead to applications such as magazines and journal pages with moving images. Many AMOLED displays use LTPO (Low temperature Poly Crystalline Silicon and Oxide) TFT transistors. These transistors offer stability at low refresh rates, and variable refresh rates, which allows for power saving displays that do not show visual artifacts. Large OLED displays usually use AOS (amporphous oxide semiconductor) TFT transistors instead, also called oxide TFTs and these are usually based on IGZO.

Қолданбалар

Ең танымал жұқа пленкалы транзисторлардың қолданылуы – сұйық кристалды дисплей технологиясын іске асыратын TFT LCD-лерде. Транзисторлар панельдің өзіне орналастырылған, бұл пиксельдер арасындағы өзара әсерді азайтып, кескіннің тұрақтылығын жақсартады. 2008 жылдан бері көптеген түсті LCD теледидарлар мен мониторлар осы технологияны қолданады. TFT панельдері жалпы рентгенографиядағы цифрлық рентгенография қолданбаларында жиі қолданылады. ТТФ медициналық рентгенографияда тікелей және жанама бейнелеуде бейне қабылдағыштың негізі ретінде қолданылады. 2013 жылдан бері барлық заманауи жоғары ажыратымды және жоғары сапалы электрондық визуалды дисплей құрылғылары TFT негізіндегі белсенді матрицалық дисплейлерді қолданады. AMOLED дисплейлерінде де жеке органикалық жарықдиодтардың белсенді матрицалық пиксельдерін басқару үшін TFT қабаты бар. TFT технологиясының ең пайдалы жағы – дисплейдегі әрбір пиксел үшін жеке транзисторды пайдалану. Әрбір транзистордың кішкентай болуына байланысты, оны басқаруға қажетті зарядтың мөлшері де аз. Бұл дисплейді өте жылдам жаңартуға мүмкіндік береді.

Тарих

1957 жылдың ақпан айында RCA компаниясының Джон Уоллмарк германий оксидін қақпалық диэлектрик ретінде қолданатын жұқа пленкалы MOSFET үшін патент алды. Сол RCA компаниясының Пауль К. Веймер Уоллмарк идеяларын іске асырып, 1962 жылы стандартты көлемді MOSFET-тен ерекшеленетін жұқа пленкалы транзисторды (TFT) жасады. Ол кадмий селениді мен кадмий сульфидінің жұқа қабаттарынан тұрды. 1966 жылы Westinghouse Electric компаниясының Т. П. Броди мен Х. Е. Куниг индий арсенидінен (InAs) жасалған МОС TFT-ді толық және күшейту режимдерінде жасады. 1968 жылы RCA Laboratories-тің Бернард Дж. Лехнер TFT негізіндегі сұйық кристалды дисплей (ЖКД) идеясын ұсынды. Лехнер, Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестер және Дж. Тултс 1968 жылы 18x2 матрицалық динамикалық шашыраулы ЖКД-ны стандартты дискретті MOSFET-термен іске асырды, себебі сол кезде TFT-нің өнімділігі жеткіліксіз болды. 1973 жылы Westinghouse Research Laboratories-тің Т. Питер Броди, Дж. А. Ассарс және Г. Д. Диксон CdSe (кадмий селениді) TFT-ді жасады, оны алғашқы CdSe жұқа пленкалы транзисторлық сұйық кристалды дисплейді (TFT LCD) көрсету үшін пайдаланды. Westinghouse тобы 1973 жылы CdSe негізіндегі операциялық TFT электролюминесценциясы (EL) туралы да хабарлады. Броди мен Фанг Чен Луо 1974 жылы CdSe-ді қолдана отырып, алғашқы жалпақ активті матрицалық сұйық кристалды дисплейді (AM LCD) жасады, ал Броди 1975 жылы «активті матрица» терминін енгізді. a-Si TFT үлкен ауданы бар AM LCD үшін тиімдірек екені тез анықталды. 1982 жылға қарай Жапонияда AM LCD технологиясын қолданатын қалталық теледидарлар жасалды. 1982 жылы Fujitsu компаниясының S. Kawai a-Si нүктелік матрицалық дисплейін, ал Canon компаниясының Y. Okubo a-Si бұрылмалы нематикалық (TN) және қонақ-тұзғыш LCD панельдерін жасады. 1983 жылы Toshiba компаниясының K. Suzuki CMOS (толықтыратын металл-оксидті жартылай өткізгіш) интегралдық схемаларымен (IC) үйлесімді a-Si TFT массивтерін, Canon компаниясының M. Sugata a-Si түсті LCD панелін, ал Sanyo және Sanritsu командасы (Митсухиро Ямасаки, S. Suhibuchi және Y. Sasaki) 3 дюймдік a-Si түсті LCD теледидары жасады. 1986 жылы Акио Мимура басқаратын Hitachi зерттеу тобы 200°C температурада n-арналы TFT-ні кремний изоляторында (SOI) жасау үшін төмен температуралы поликристалды кремний (LTPS) процесін көрсетті. 1986 жылы Т. Суната басқаратын Hosiden зерттеу тобы 7 дюймдік түсті AM LCD панелін және 9 дюймдік AM LCD панелін жасау үшін a-Si TFT-ді пайдаланды. 1980-жылдардың соңында Hosiden Apple Computer компаниясына монохромды TFT LCD панельдерін жеткізді, бұл электроника индустриясын LCD дисплейі катодтық сәулелі түтіктің (CRT) орнын басатынына көндірді. 2021 жылы IGZO TFT технологиясын полиимидтік субстратқа қолдану арқылы алғашқы икемді 32 биттік микропроцессор жасалды.

In February 1957, John Wallmark of RCA filed a patent for a thin film MOSFET in which germanium monoxide was used as a gate dielectric. Paul K. Weimer, also of RCA implemented Wallmark's ideas and developed the thin film transistor (TFT) in 1962, a type of MOSFET distinct from the standard bulk MOSFET. It was made with thin films of cadmium selenide and cadmium sulfide. In 1966, T. P. Brody and H. E. Kunig at Westinghouse Electric fabricated indium arsenide (InAs) MOS TFTs in both depletion and enhancement modes. The idea of a TFT based liquid crystal display (LCD) was conceived by Bernard J. Lechner of RCA Laboratories in 1968. Lechner, F. J. Marlowe, E. O. Nester and J. Tults demonstrated the concept in 1968 with an 18x2 matrix dynamic scattering LCD that used standard discrete MOSFETs, as TFT performance was not adequate at the time. In 1973, T. Peter Brody, J. A. Asars and G. D. Dixon at Westinghouse Research Laboratories developed a CdSe (cadmium selenide) TFT, which they used to demonstrate the first CdSe thin film transistor liquid crystal display (TFT LCD). The Westinghouse group also reported on operational TFT electroluminescence (EL) in 1973, using CdSe. Brody and Fang Chen Luo demonstrated the first flat active matrix liquid crystal display (AM LCD) using CdSe in 1974, and then Brody coined the term "active matrix" in 1975. The a Si TFT was soon recognized as being more suitable for a large area AM LCD. By 1982, pocket TVs based on AM LCD technology were developed in Japan. In 1982, Fujitsu's S. Kawai fabricated an a Si dot matrix display, and Canon's Y. Okubo fabricated a Si twisted nematic (TN) and guest host LCD panels. In 1983, Toshiba's K. Suzuki produced a Si TFT arrays compatible with CMOS (complementary metal–oxide–semiconductor) integrated circuits (ICs), Canon's M. Sugata fabricated an a Si color LCD panel, and a joint Sanyo and Sanritsu team including Mitsuhiro Yamasaki, S. Suhibuchi and Y. Sasaki fabricated a 3 inch a SI color LCD TV. ET 10 In 1986, a Hitachi research team led by Akio Mimura demonstrated a low temperature polycrystalline silicon (LTPS) process for fabricating n channel TFTs on a silicon on insulator (SOI), at a relatively low temperature of 200°C. A Hosiden research team led by T. Sunata in 1986 used a Si TFTs to develop a 7 inch color AM LCD panel, and a 9 inch AM LCD panel. In the late 1980s, Hosiden supplied monochrome TFT LCD panels to Apple Computer. which convinced the electronics industry that LCD would eventually replace cathode ray tube (CRT) as the standard television display technology. In 2021, the first flexible 32 bit microprocessor was manufactured using IGZO TFT technology on a polyimide substrate.