TFTディスプレイの進化

私たちの社会がますますテクノロジー化するにつれて、スクリーンはほぼどこにでも現れているようです。何十万もの複雑で小さなデバイスが、ガラスディスプレイやフラットパネルディスプレイの背後に表示される全体的な画像を構成するピクセルを制御しています。これらは薄膜トランジスタ、略してTFTとして知られています。

TFT はいつ、誰が発明しましたか?

TFT は、半導体とマイクロエレクトロニクスの分野における一連の発展を受けて、1962 年に登場しました。ラジオ・コーポレーション・オブ・アメリカ(RCA)は、トランジスタの用途拡大を期待して、トランジスタの実験と開発に何年も費やしていました。ジョン・ウォールマーク(RCAのメンバー)は1957年に最初の薄膜特許を取得しましたが、TFTを開発したのは同じくRCAのポール・K・ワイマーでした。

TFT

の進化

1.TFT が登場する前は、電界効果トランジスタ (FET) がありました。

FET は、トランジスタが電気信号を増幅、制御、または生成できるようにする半導体デバイスの一種です。このトランジスタは、デバイス内の電流の流れを制御するように設計されています。FET は通常、ソース、ドレイン、ゲート、および半導体との接触と伝導を可能にする電極で構成されています。このデバイスは、キャリア移動度、またはFETの電界効果移動度として知られるプロセスで、電子や正孔などの電荷キャリアの移動を増減することにより、ゲートを通過する印加電圧を制御できます(電子がない場合、電荷引きが発生します)。高移動度半導体を使用すると、電荷をより簡単に増幅、制御、または生成できます。その後、FETは(ソースから)信号強度を変更し、それを宛先(ドレインと指定された信号受信者)に送信できます。

FETは、1925年に初めて特許を取得してから数年後の1945年に初めて製造に成功しました。しかし、実験により金属酸化膜半導体電界エネルギートランジスタ (MOSFET) が誕生した何年も経ってから、FET がはるかに有用になりました。科学者たちは、デバイス用のゲート絶縁体を作成できることを発見し、以前はシリコンでできていた半導体片の制御された酸化(酸化層の別の表面への強制拡散)を可能にすることを発見しました。この新しい層は、MOSFETの誘電体層またはゲート誘電体として知られています。この進歩により、FET を幅広いアプリケーション、特にディスプレイ技術に組み込むことが可能になりました。

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. TFTはMOSFETから発展したものです。

TFTは、その名前が示すように、薄膜を採用しているという点で、標準的なMOSFETやバルクMOSFETとは異なります。TFTはエレクトロニクスの新時代の始まりを告げました。RCAのバーナード・J・レヒナーは、TFTが初めて開発されてからわずか6年後の1968年、TFT液晶ディスプレイ(LCD)のアイデアを共有しました。TFT LCD は、1973 年にウェスチングハウス研究所で発明されました。これらのLCDは、トランジスタによって制御されるピクセルで構成されていました。FETの基板は単なる半導体材料でしたが、TFT LCDの製造では、画素を表示できるようにガラス基板が使用されていました。

しかし、TFTの開発はそれだけにとどまりませんでした。TFT LCDの開発者の1人であるT.ピーターブロディとFang-Chen Luoは、1974年に最初のアクティブマトリックスLCD(AM LCD)を作成しました。アクティブマトリックスは各ピクセルを個別に制御するため、各ピクセルのそれぞれのTFTの信号がアクティブに保存されます。ディスプレイがより複雑になるにつれて、これによりパフォーマンスと速度が向上しました。

アクティブ行列(左)と受動行列(右)のシグナリング構造の比較を上に示します。

3.TFTディスプレイの主材料

TFTはさまざまな半導体層を使用できますが、シリコンが最も普及しており、シリコンベースのTFT(Si TFTと略されます)が誕生しました。TFT は、他の FET と同様に、固体エレクトロニクスを使用する半導体デバイスであり、電気は真空管を通るのではなく、半導体層の構造を通って流れます。

Si TFT の特性は、使用できるさまざまなシリコン構造によって異なる場合があります。最も一般的な形態はアモルファスシリコン(A-Si)で、半導体製造プロセスの最初のステップで低温で基板上に堆積されます。A-Si:Hに水素化すると最も有用です。これにより、A-Si の特性が大幅に変化します。水素がなければ、材料はドーピング(電荷移動度を高めるための不純物の導入)に苦労します。A-Siの形で:H。一方、半導体層は、はるかに光伝導性が高く、ドープ可能になります。A-Si:H TFTは1979年に発明され、室温で安定しています。すぐにAM LCDの最良の選択肢となり、この画期的な進歩の結果として人気が高まった。

微結晶シリコンは、シリコンの潜在的な第 2 形態です。A-Si と形状が似ていますが、このタイプのシリコンは結晶構造を持つ粒子も持っています。アモルファス構造は、よりランダムで幾何学的なネットワークのような構造ではありませんが、結晶構造はより構造化され、組織化されています。微結晶シリコンは、適切に成長させると、A-Si:Hよりも電子移動度が高く、水素の含有量が少ないため安定性が高くなります。A-Siと同じ方法で堆積します。

最後に、多結晶シリコンはポリシリコンおよびポリSiとしても知られています。微結晶シリコンは、多結晶シリコンの多結晶構造により、A-Si シリコンと多結晶シリコンの中間体です。この特定の形状は、シリコン材料を焼きなましすることによって作成され、熱を加えて構造の特性を変化させることを意味します。ポリSiを加熱すると、結晶格子内の原子が移動し、冷却すると構造が再結晶します。

これらの

形態、特にA-Siとpoly-Siの主な違いは、poly-Siの電荷キャリアがA-Siよりもはるかに移動性が高く、材料がはるかに安定していることです。Poly-Si の特性により、複雑で高速な TFT ベースのディスプレイの作成が可能になります。それにもかかわらず、A-Siは漏れ電流が少ないため、誘電体絶縁体が非導電性でない場合、漏れ電流がそれほど失われないため

、非常に重要です。

日立は1986年に初の低温ポリSi(LTPS)を実証しました。ガラス基板はLTPSほど高温に耐性がないため、ポリSiの焼きなましには低温が使用されます。

数年後、インジウムガリウム亜鉛酸化物 (IGZO) が開発され、リフレッシュ レートの点でより強力なディスプレイと消費電力の点でより高い効率が可能になりました。名前が示すように、この半導体材料にはインジウム、ガリウム、亜鉛、酸素が含まれています。酸化亜鉛 (ZnO) の一種であるにもかかわらず、インジウムとガリウムを添加することで、酸化物の高いキャリア移動度を維持しながら、この材料を均一なアモルファス相で堆積させることができます。

透明な半導体と電極は、TFT がディスプレイ技術で普及するにつれて、メーカーにとってより魅力的なものになりました。酸化インジウムスズ (ITO) は、その魅力的な外観、優れた導電性、堆積の容易さにより、人気のある透明酸化物です。

さまざまな素材を使用した TFT の研究により、しきい値電圧、つまりデバイスの電源を入れるために必要な電圧が適用されました。この値は、使用する酸化物の厚さと種類に大きく依存します。これは、酸化物に関する漏れ電流の概念に関連しています。漏れ電流は、層が薄く、酸化物の種類が特定のほど高くなる可能性がありますが、デバイスへの漏れが増加すると、しきい値電圧が低下する可能性があります。TFTの低消費電力の可能性を活用するには、しきい値電圧が低いほど、デバイスはより魅力的です。

有機TFT(OTFT)は、TFTから生まれた別の開発分野です。1986 年に初めて開発された OTFT は通常、ポリマーまたは高分子を溶液キャスティングすることによって作られます。このデバイスはキャリアの移動性が遅く、応答時間が遅いため、人々はこのデバイスを警戒していました。しかし、研究者らは、フレキシブルなプラスチック製ディスプレイなど、従来のTFTが使用されているディスプレイ以外のディスプレイにも使用できる可能性があるため、OTFTを実験しています。この調査はまだ進行中です。OTFT は、従来のシリコン技術よりも処理が簡単なため、現代および将来の技術に多くの可能性を秘めています。