Die Geschichte der TFT-Displays

Von wem und wann wurde der TFT erfunden?

1962 entstand nach einer Reihe von Entwicklungen auf dem Gebiet der Halbleiter und Mikroelektronik der TFT. Die Radio Corporation of America (RCA) hatte Jahre damit verbracht, Transistoren zu experimentieren und zu entwickeln, in der Hoffnung, ihre Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. Obwohl das erste Dünnschichtpatent von John Wallmark (einem Mitglied der RCA) 1957 erfolgte, war es Paul K. Weimer, ebenfalls von der RCA, der den TFT entwickelte.

Entwicklung von TFTs

Vor dem Aufkommen des TFT gab es den Feldeffekttransistor (FET). Der FET ist eine Art Halbleiterbauelement, das es dem Transistor ermöglicht, elektrische Signale zu verstärken, zu steuern oder zu erzeugen. Dieser Transistor wurde entwickelt, um die Bewegung und den Stromfluss in Geräten zu steuern. FETs haben einen Standardaufbau, bestehend aus Source, Drain und Gate sowie ihren einzelnen Elektroden, die den Kontakt und die Leitung mit dem Halbleiter ermöglichen. Dieses Gerät kann die angelegte Spannung durch das Gate steuern, indem es die Bewegung von Ladungsträgern wie Elektronen oder Löchern erhöht oder verringert (das Fehlen eines Elektrons, das einen geladenen Zug verursacht) in einer Weise, die als Trägermobilität oder spezieller für FETs als Feldeffektmobilität bezeichnet wird. Mit hochmobilen Halbleitern werden Ladungen leichter verstärkt, gesteuert oder erzeugt. Der FET kann dann die Signale zusammen mit ihren Stärken verändern (von der Quelle) an das Ziel (den Drain und den designierten Signalempfänger) gesendet.

Der FET wurde erstmals 1945 erfolgreich gebaut, Jahre nachdem die Idee 1925 erstmals patentiert wurde. Allerdings wurde der FET erst durch die Experimente, die viele Jahre später den Metalloxid-Halbleiter-Feldenergietransistor (MOSFET) hervorbrachten, viel brauchbarer. . Wissenschaftler entdeckten, dass sie einen Gate-Isolator für das Gerät herstellen konnten, und ermöglichten so die kontrollierte Oxidation (die erzwungene Diffusion der Oxidschicht in eine andere Oberfläche) des Halbleiterstücks, das normalerweise aus Silizium besteht. Diese neue Schicht ist als Dielektrikumsschicht oder Gatedielektrikum des MOSFET bekannt. Diese Entwicklung ermöglichte die Integration von FETs in eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in der Display-Technologie.

Aus dem MOSFET wurde der TFT geboren. Der TFT unterscheidet sich von Standard-MOSFETs oder Bulk-MOSFETs, da er, wie der Name schon sagt, dünne Filme verwendet. Mit dem TFT begann eine neue Ära der Elektronik. 1968, nur sechs Jahre nach der ersten TFT-Entwicklung, teilte Bernard J. Lechner von RCA seine Idee des TFT-Liquid Crystal Displays (LCD), das in unserer modernen Zeit immer beliebter werden würde. Das TFT-LCD wurde dann erstmals 1973 in den Westinghouse Research Laboratories entwickelt. Diese LCDs bestanden aus Pixeln, die von Transistoren gesteuert wurden. Bei FETs waren Substrate nur das Halbleitermaterial, aber bei der Herstellung von TFT-LCDs wurden Glassubstrate verwendet, damit die Pixel angezeigt werden konnten.

Aber das war noch nicht das Ende der TFT-Entwicklungen. Kurz darauf, im Jahr 1974, entwickelten T. Peter Brody, einer der Entwickler des TFT-LCDs, und Fang-Chen Luo das erste Aktivmatrix-LCD (AM LCD). Eine aktive Matrix steuert jedes Pixel einzeln, was bedeutet, dass das Signal des jeweiligen TFT jedes Pixels aktiv erhalten bleibt. Dies öffnete Türen zu besserer Leistung und Geschwindigkeit, da die Displays komplexer wurden.

Oben ein Vergleich der Signalisierungsstrukturen einer Aktiv-Matrix (links) und einer Passiv-Matrix (rechts).

Obwohl TFTs eine Vielzahl von Materialien für ihre Halbleiterschichten verwenden können, ist Silizium das beliebteste geworden, wodurch der siliziumbasierte TFT, abgekürzt als Si-TFT, entstanden ist. Als Halbleiterbauelement verwenden der TFT sowie alle FETs Festkörperelektronik, was bedeutet, dass Strom durch die Struktur der Halbleiterschicht fließt und nicht durch Vakuumröhren.

Aufgrund der Vielfalt der möglichen Strukturen von Silizium können auch die Eigenschaften des Si-TFT variieren. Die gebräuchlichste Form ist amorphes Silizium (A-Si), das im ersten Schritt des Halbleiterherstellungsprozesses bei niedrigen Temperaturen auf dem Substrat abgeschieden wird. Es ist am besten verwendbar, wenn es in die Form A-Si:H hydriert wird. Dies ändert dann die Eigenschaften von A-Si erheblich; ohne Wasserstoff kämpft das Material mit Dotierung (Einbringen von Verunreinigungen zur Erhöhung der Ladungsbeweglichkeit); in der Form A-Si:H wird die Halbleiterschicht jedoch viel photoleitfähiger und dotierfähiger. Der A-Si:H TFT wurde erstmals 1979 entwickelt, ist bei Raumtemperatur stabil und wurde die beste Option für AM-LCDs, die nach diesem Durchbruch immer beliebter wurden.

Eine zweite potentielle Form von Silizium ist das mikrokristalline Silizium. Obwohl es eine ähnliche Form wie A-Si beibehält, weist diese Art von Silizium auch Körner mit sogenannten kristallinen Strukturen auf. Amorphe Strukturen haben eine eher zufällige, weniger geometrische Form ihrer netzwerkartigen Strukturen, aber kristallin ist andererseits strukturierter und organisierter. Mikrokristallines Silizium hat bei korrektem Wachstum eine bessere Elektronenbeweglichkeit als A-Si:H und auch eine größere Stabilität, da es weniger Wasserstoff in seiner Struktur enthält. Es wird in ähnlicher Weise abgeschieden wie bei der Abscheidung von A-Si.

Und schließlich gibt es polykristallines Silizium, auch bekannt als Polysilizium und Poly-Si. Mikrokristallines Silizium ist die Mitte zwischen A-Si und Poly-Si, da die Struktur von Poly-Si aus vielen Kristalliten besteht. Diese spezielle Form wird durch Tempern des Siliziummaterials hergestellt, was bedeutet, dass Wärme hinzugefügt wird, um die Eigenschaften der Struktur zu verändern. Bei Poly-Si verschieben und bewegen sich die Atome im Kristallgitter beim Erhitzen und beim Abkühlen rekristallisiert die Struktur.

Der größte Unterschied zwischen diesen Formen, insbesondere A-Si und Poly-Si, besteht darin, dass Ladungsträger viel beweglicher sind und das Material viel stabiler ist, wenn es um die Verwendung von Poly-Si gegenüber A-Si geht. Bei der Erstellung komplizierter und schneller TFT-basierter Displays, die Eigenschaften von Poly-Si erlauben dies. Dennoch ist A-Si immer noch sehr wichtig aufgrund seiner leckarmen Natur, was bedeutet, dass der Leckstrom nicht so stark verloren geht, wenn ein dielektrischer Isolator nicht vollständig nichtleitend ist.

1986 demonstrierte Hitachi das erste Niedertemperatur-Poly-Si (LTPS). LTPS spielt bei der Herstellung von Bauelementen eine große Rolle, da das Glassubstrat gegenüber hohen Temperaturen nicht so beständig ist, sodass zum Tempern des Poly-Si niedrigere Temperaturen verwendet werden.

Einige Jahre später folgte 2012 mit Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO) eine weitere Entwicklung, die eine leistungsstärkere Anzeige in Bezug auf die Bildwiederholraten und eine höhere Effizienz in Bezug auf den Stromverbrauch ermöglichte. Dieses halbleitende Material verwendet, wie der Name schon sagt, Indium, Gallium, Zink und Sauerstoff. Obwohl es eine Form von Zinkoxid (ZnO) ist, ermöglicht die Zugabe von Indium und Gallium, dass dieses Material in einer einheitlichen amorphen Phase abgeschieden wird, aber auch die hohe Trägermobilität des Oxids beibehält.

Als TFTs ihre Präsenz in der Displaytechnologie ausweiteten, wurden transparente Halbleiter und Elektroden für die Hersteller attraktiver. Indium-Zinn-Oxid (ITO) ist ein Beispiel für ein beliebtes transparentes Oxid, das wegen seines Aussehens, seiner guten Leitfähigkeit und seiner einfachen Abscheidung verwendet wird.

RDie Erforschung des TFT mit verschiedenen Materialien hat zum Anlegen einer Schwellenspannung geführt, oder wie viel Spannung benötigt wird, um das Gerät einzuschalten. Dieser Wert hängt stark von der Dicke und der Wahl des Oxids ab. Wenn es um das Oxid geht, bezieht sich dies auf die Idee des Leckstroms. Bei dünneren Schichten und bestimmten Oxidtypen kann der Leckstrom größer sein, aber dies könnte wiederum die Schwellenspannung senken, da auch der Leckstrom in die Vorrichtung zunehmen wird. Um das Potenzial des TFTs für einen geringen Stromverbrauch auszuschöpfen, gilt: Je niedriger die Schwellenspannung, desto attraktiver ist das Gerät.

Ein weiterer Entwicklungszweig, der aus dem TFT hervorgegangen ist, sind die organischen TFTs (OTFT). OTFTs wurden erstmals 1986 entwickelt und verwenden normalerweise das Lösungsgießen von Polymeren oder Makromolekülen. Dieses Gerät machte die Leute zögerlich, da es tendenziell eine langsame Trägermobilität hatte, was langsame Reaktionszeiten bedeutete. Forscher haben jedoch Experimente mit dem OTFT durchgeführt, da es Anwendungspotenzial hat andere Displays als herkömmliche TFTs werden beispielsweise für flexible Kunststoffdisplays verwendet. Diese Forschung wird auch heute noch fortgesetzt. Mit seiner einfacheren Verarbeitung als die herkömmliche Siliziumtechnologie birgt der OTFT viel Potenzial für moderne und zukünftige Technologien.

TFT-Geschenk: Übersicht

Wie bereits erwähnt, hat sich das TFT so entwickelt, dass es in vielfältiger Weise in der Lage ist, die Anforderungen des technologischen Fortschritts zu erfüllen. Aufgrund ihrer hervorragenden Abbildungseigenschaften sowie der erschwinglichen und kostengünstigen Herstellung, TFT-Geräte und -Technologie haben drastisch zugenommen in Zahl und Zweck seit der Gründung des TFT.

Zum Beispiel verwendet Apple, eine bekannte und beliebte Marke für eine Vielzahl von Displays, die TFT-LCD für Geräte wie ihre iPhones, Macbooks und iPads. Es gab eine Entwicklung, die Apple mit der Erforschung der organischen Leuchtdioden (OLED) begonnen hat; OLEDs haben die Fähigkeit, dünnere und flexiblere Displays zu erzeugen. Dies hat bis heute noch viele Nachteile; das OLED ist viel teurer und anfälliger für den Kontakt mit Wasser, daher ist das TFT-LCD immer noch die bekannteste Display-Technologie in unserer heutigen Zeit. Es gibt auch so etwas wie die Aktivmatrix-OLED (AMOLED), eine Kombination der OLED Schichten und TFT-Schichten. Apple hat damit begonnen, seine Geräte wie das iPhone X und die Apple Watches zu implementieren. Dieses Display ermöglicht tiefere, sattere Farben, auf die Apple einen Großteil seines Marktes konzentriert.

Aber TFT-Technologie und -Geräte sind nicht nur auf Displays wie die von Apple beschränkt. Mit der hohen Auflösung und den hohen Leistungsvorteilen des TFT hat es seinen Weg in die Automobilentwicklung und in die Medizin gefunden. Auto-Armaturenbretter sowie Bildschirme verwenden häufig TFT-LCD-Displays. In der Medizin kann der TFT als Bildempfänger für Röntgenbilder fungieren.

Da unsere Welt heute so stark auf diese Art von Technologien angewiesen ist, sind „Technologiegesellschaften“ entstanden, um Ingenieure, Technologen und andere Fachleute oder aufstrebende Menschen zu vereinen. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ist eines davon und widmet sich der Verbesserung der Menschheit mit Technologie. Eine spezifische Untergruppe dieser größeren Gruppe ist die Electron Devices Society (EDS), die sich auf elektronen- oder ionenbasierte Geräte konzentriert. Diese Untergesellschaft veröffentlicht in einer wissenschaftlichen Zeitschrift Briefe über Theorien und Designs von elektronischen Geräten.

Die Zukunft von TFT

Während es beim traditionellen TFT noch Raum für Wachstum gibt, haben die Entwickler ihre Augen darauf gerichtet, die Anwendungsnatur des TFT zu erweitern. Seit der Entwicklung des OTFT im Jahr 1986 ist die Idee, flexible Displays zu schaffen, ein anerkannter Weg für Entwickler, aber nur wenige haben sich dafür entschieden, Flachbildschirme vorzuziehen. Diese flexiblen Arten von Geräten werden als großflächige Elektronik (LAE) bezeichnet. Verwendung von weniger umweltschädlichen Materialien als herkömmliche TFT-Displays, LAEs, oder genauer organische LAEs (OLAE), sind eine aufkommende Erweiterung für TFT-Konzepte.

Dennoch bleiben Herausforderungen bestehen, da diese organischen Displays nicht so viele wünschenswerte Eigenschaften aufweisen, die Verbraucher normalerweise in Bezug auf Auflösung und Reaktionsraten wünschen. Deswegen, Traditionelle TFT-LCDs dominieren weiterhin den Markt, aber da Forschung und Experimente zu diesen organischen Technologien folgen, muss noch eine Grenze gesetzt werden TFT-basierte Displays, und es ist wahrscheinlich, dass sich die Anzeigetechnologie in Bezug auf Geschwindigkeit, Qualität und Vielseitigkeit weiter verbessern wird.