Введение

Транзистор полевого эффекта (TFT) – это особый тип транзистора полевого эффекта (FET), в котором транзистор создается методом нанесения тонких пленок. TFT формируются на несущей (но непроводящей) подложке, например, на стекле. Это отличается от традиционного металл-оксидного полевого транзистора (MOSFET), где полупроводниковый материал обычно и является подложкой, например, кремниевой пластиной. Основное применение TFT – в жидкокристаллических дисплеях (ЖКД) TFT.

Конструкция и производство

TFT могут быть изготовлены из широкого спектра полупроводниковых материалов. Благодаря своей естественной распространенности и хорошей изученности, аморфный или поликристаллический кремний использовались (и продолжают использоваться) в качестве полупроводникового слоя. Однако, из-за низкой подвижности носителей заряда в аморфном кремнии и значительных различий в характеристиках отдельных устройств, наблюдаемых в поликристаллическом кремнии, для использования в TFT изучались и другие материалы. К ним относятся селенид кадмия, оксиды металлов, такие как оксид индия-галлия-цинка (IGZO) или оксид цинка, органические полупроводники, углеродные нанотрубки или перовскиты на основе галогенидов металлов. Поскольку TFT выращиваются на инертных подложках, а не на кремниевых пластинах, полупроводник необходимо осаждать в специальном процессе. Для осаждения полупроводников в TFT используются различные методы, включая химическое осаждение из паровой фазы (CVD), атомно-слоевое осаждение (ALD) и магнетронное распыление. Полупроводник также может быть осажден из раствора с использованием таких методов, как печать или распылительное нанесение покрытий. Технологии, основанные на растворах, позволяют надеяться на создание недорогой и механически гибкой электроники. Поскольку типичные подложки деформируются или плавятся при высоких температурах, процесс осаждения должен проводиться при относительно низких температурах по сравнению с традиционными методами обработки электронных материалов. Некоторые полупроводники с широкой запрещенной зоной, особенно оксиды металлов, являются оптически прозрачными. Используя также прозрачные подложки, такие как стекло, и прозрачные электроды, такие как оксид индия-олова (ITO), некоторые TFT-устройства могут быть спроектированы так, чтобы быть полностью оптически прозрачными. Такие прозрачные TFT (TTFT) могут быть использованы, например, в проекционных дисплеях (таких как на лобовом стекле автомобиля). Первые TTFT, изготовленные методом обработки из раствора на основе оксида цинка, были представлены в 2003 году исследователями из Университета штата Орегон. Португальская лаборатория CENIMAT при Университете Нова де Лиссабон создала первый в мире полностью прозрачный TFT, работающий при комнатной температуре. CENIMAT также разработал первый бумажный транзистор, который может найти применение, например, в журналах и периодических изданиях с движущимися изображениями. Многие AMOLED-дисплеи используют LTPO (низкотемпературный поликристаллический кремний и оксид) TFT-транзисторы. Эти транзисторы обеспечивают стабильность при низких и переменных частотах обновления, что позволяет создавать энергосберегающие дисплеи без визуальных артефактов. В больших OLED-дисплеях обычно используются AOS (аморфные оксидные полупроводники) TFT-транзисторы, также называемые оксидными TFT, которые обычно основаны на IGZO.

Приложения

Наиболее известным применением тонкопленочных транзисторов является использование в TFT LCD, представляющих собой реализацию технологии жидкокристаллических дисплеев. Транзисторы встроены непосредственно в панель, что снижает перекрестные помехи между пикселями и повышает стабильность изображения. По состоянию на 2008 год многие цветные ЖК-телевизоры и мониторы использовали эту технологию. TFT-панели широко применяются в цифровой рентгенографии общего назначения. TFT используется как в прямой, так и в косвенной цифровой рентгенографии в качестве основы для приемника изображения. По состоянию на 2013 год все современные электронные визуальные дисплеи высокого разрешения и качества используют TFT-дисплеи с активной матрицей. AMOLED-дисплеи также содержат TFT-слой для активного матричного управления пикселями, состоящими из отдельных органических светодиодов. Наиболее значительным преимуществом технологии TFT является использование отдельного транзистора для каждого пикселя дисплея. Поскольку каждый транзистор имеет небольшие размеры, для его управления требуется небольшое количество заряда. Это обеспечивает очень быструю перерисовку изображения на дисплее.

История

В феврале 1957 года Джон Уоллмарк из RCA подал заявку на патент на тонкопленочный MOSFET, в котором монооксид германия использовался в качестве диэлектрика затвора. Пол К. Ваймер, также из RCA, реализовал идеи Уоллмарка и разработал тонкопленочный транзистор (TFT) в 1962 году – тип MOSFET, отличный от стандартного объемного MOSFET. Он был изготовлен из тонких пленок селенида кадмия и сульфида кадмия. В 1966 году Т. П. Броди и Х. Э. Куниг из Westinghouse Electric создали InAs (арсенид индия) MOS TFT как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Идея жидкокристаллического дисплея (LCD) на основе TFT была выдвинута Бернардом Дж. Лехнером из лабораторий RCA в 1968 году. Лехнер, Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестер и Дж. Тултс продемонстрировали эту концепцию в 1968 году, используя динамический рассеивающий LCD-дисплей с матрицей 18x2, который работал на стандартных дискретных MOSFET, поскольку производительность TFT в то время была недостаточной. В 1973 году Т. Питер Броди, Дж. А. Асарс и Г. Д. Диксон из Westinghouse Research Laboratories разработали CdSe (селенид кадмия) TFT, который они использовали для демонстрации первого жидкокристаллического дисплея на основе тонкопленочных транзисторов CdSe (TFT LCD). Группа Westinghouse также сообщила об оперативной электролюминесценции (EL) на основе TFT, используя CdSe, в 1973 году. Броди и Фанг Чен Луо продемонстрировали первый плоский жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AM LCD) на основе CdSe в 1974 году, а затем Броди ввел термин «активная матрица» в 1975 году. Вскоре аморфный кремниевый (a-Si) TFT был признан более подходящим для AM LCD большой площади. К 1982 году в Японии были разработаны карманные телевизоры на основе технологии AM LCD. В 1982 году С. Каваи из Fujitsu изготовил a-Si точечный матричный дисплей, а Y. Окубо из Canon – a-Si дисплеи с TN (twisted nematic – скрученный нематик) и guest host (гостевой-хозяин) типами. В 1983 году К. Сузуки из Toshiba создал a-Si массивы TFT, совместимые с КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник) интегральными схемами (ИС), M. Сугата из Canon изготовил цветную a-Si ЖК-панель, а совместная команда Sanyo и Sanritsu, включающая Мицухиро Ямасаки, С. Сухибучи и Y. Сасаки, создала 3-дюймовый цветной ЖК-телевизор на основе a-Si. В 1986 году исследовательская группа Hitachi под руководством Акио Мимуры продемонстрировала процесс получения поликремния при низкой температуре (LTPS) для изготовления n-канальных TFT на кремнии на изоляторе (SOI) при относительно низкой температуре 200°C. Исследовательская группа Hosiden под руководством Т. Сунаты в 1986 году использовала a-Si TFT для разработки 7-дюймовой цветной AM LCD-панели и 9-дюймовой AM LCD-панели. В конце 1980-х годов Hosiden поставляла монохромные TFT LCD-панели компании Apple Computer, что убедило электронную промышленность в том, что ЖК-дисплеи в конечном итоге заменят электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в качестве стандартной технологии телевизионных дисплеев. В 2021 году был изготовлен первый гибкий 32-битный микропроцессор с использованием технологии IGZO TFT на полиимидной подложке.