Histoire de la technologie des transistors à couche mince - Quand et qui a inventé le TFT

L'histoire des écrans TFT (Thin Film Transistor) 

L'histoire des écrans TFT

Vous trouverez plus d'informations sur la technologie TFT ici :

Alors que notre société progresse dans un état extrêmement technologique, les écrans semblent apparaître presque partout. Derrière ces écrans en verre, ou écrans plats, se trouvent des centaines de milliers de petits appareils complexes, contrôlant les pixels qui composent l'image globale que nous voyons. Ces dispositifs sont connus sous le nom de transistors à couche mince, ou en abrégé TFT.

Par qui et quand le TFT a-t-il été inventé ?

En 1962, après une série de développements dans le domaine des semi-conducteurs et de la microélectronique, le TFT voit le jour. La Radio Corporation of America (RCA) avait passé des années à expérimenter et à développer des transistors dans l'espoir d'élargir les possibilités de leur utilisation. Bien que le premier brevet de couche mince de John Wallmark (un membre de la RCA) date de 1957, c'est Paul K. Weimer, également de la RCA, qui a développé le TFT.

Évolution des TFT

Avant l'émergence du TFT, il existait le transistor à effet de champ (FET). Le FET est un type de dispositif semi-conducteur, permettant au transistor d'avoir des propriétés d'amplification, de contrôle ou de génération avec des signaux électriques. Ce transistor a été créé pour contrôler le mouvement et le flux de courant dans les appareils. Les FET ont une construction standard, composé de la source, du drain et de la grille ainsi que de leurs électrodes individuelles qui permettent le contact et la conduction avec le semi-conducteur. Ce dispositif peut contrôler la tension appliquée à travers la grille en augmentant ou en diminuant le mouvement des porteurs de charge comme les électrons ou les trous (l'absence d'un électron qui provoque une traction chargée) d'une manière appelée mobilité des porteurs, ou plus spécifique aux FET, mobilité à effet de champ. Avec les semi-conducteurs à haute mobilité, les charges sont plus facilement amplifiées, contrôlées ou générées. Le FET peut alors modifier les signaux ainsi que leurs forces (de la source) envoyé à la destination (le drain et le destinataire du signal désigné).

Le FET a été construit avec succès en 1945, des années après que l'idée a été brevetée pour la première fois en 1925. Cependant, ce n'est qu'après l'expérimentation qui a créé le transistor à énergie de champ semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET) plusieurs années plus tard que le FET est devenu beaucoup plus utilisable. . Les scientifiques ont découvert qu'ils pouvaient créer un isolant de grille pour le dispositif, ce qui permettait l'oxydation contrôlée (la diffusion forcée de la couche d'oxyde dans une autre surface) de la pièce semi-conductrice, qui était généralement en silicium. Cette nouvelle couche est connue sous le nom de couche diélectrique ou diélectrique de grille du MOSFET. Ce développement a rendu possible l'intégration des FET dans une grande variété d'utilisations, mais plus particulièrement, la technologie d'affichage.

Du MOSFET, le TFT est né. Le TFT diffère des MOSFET standard ou des MOSFET en vrac, car, comme son nom l'indique, il utilise des films minces. Le TFT a commencé une nouvelle ère de l'électronique. En 1968, six ans seulement après le premier développement du TFT, Bernard J. Lechner de RCA a partagé son idée de l'écran à cristaux liquides (LCD) TFT, quelque chose qui allait exploser en popularité à notre époque moderne. L'écran LCD TFT a ensuite été créé pour la première fois en 1973 dans les laboratoires de recherche de Westinghouse. Ces LCD étaient composés de pixels contrôlés par des transistors. Dans les FET, les substrats n'étaient que le matériau semi-conducteur, mais dans la fabrication des écrans LCD TFT, des substrats en verre étaient utilisés pour que les pixels puissent être affichés.

Mais ce n'était pas la fin des développements TFT. Peu de temps après, en 1974, T. Peter Brody, l'un des développeurs de l'écran LCD TFT, et Fang-Chen Luo ont créé le premier écran LCD à matrice active (AM LCD). Une matrice active contrôle chaque pixel individuellement, ce qui signifie que le TFT respectif de chaque pixel a son signal activement préservé. Cela a ouvert la porte à de meilleures performances et à une meilleure vitesse à mesure que les affichages devenaient plus complexes.

Ci-dessus, une comparaison des structures de signalisation d'une matrice active (à gauche) et celle d'une matrice passive (à droite).

Bien que les TFT puissent utiliser une variété de matériaux pour leurs couches semi-conductrices, le silicium est devenu le plus populaire, créant le TFT à base de silicium, abrégé en Si TFT. En tant que dispositif semi-conducteur, le TFT, ainsi que tous les FET, utilisent de l'électronique à semi-conducteurs, ce qui signifie que l'électricité circule à travers la structure de la couche semi-conductrice plutôt que des tubes à vide.

En raison de la variété des structures possibles du silicium, les caractéristiques du Si TFT peuvent également varier. La forme la plus courante est le silicium amorphe (A-Si), qui est déposé lors de la première étape du processus de fabrication du semi-conducteur sur le substrat à basse température. Il est le plus utilisable lorsqu'il est hydrogéné sous la forme A-Si:H. Ceci modifie alors de manière significative les propriétés de A-Si ; sans l'hydrogène, le matériau lutte contre le dopage (introduction d'impuretés pour augmenter la mobilité des charges) ; sous la forme A-Si:H, cependant, la couche semi-conductrice devient beaucoup plus photoconductrice et dopable. Le A-Si:H TFT a été développé pour la première fois en 1979. Il est stable à température ambiante et est devenu la meilleure option pour les LCD AM qui ont par conséquent commencé à gagner en popularité après cette percée.

Une deuxième forme potentielle de silicium est le silicium microcristallin. Bien qu'il conserve une forme similaire à A-Si, ce type de silicium a également des grains de ce que l'on appelle des structures cristallines. Les structures amorphes ont une forme plus aléatoire et moins géométrique à leurs structures en réseau, mais cristallines, en revanche, sont plus structurées et organisées. S'il est cultivé correctement, le silicium microcristallin a une meilleure mobilité électronique que A-Si:H et une plus grande stabilité également, car il contient moins d'hydrogène dans sa structure. Il est déposé d'une manière similaire au dépôt de A-Si.

Et enfin, il y a le silicium polycristallin, également appelé polysilicium et poly-Si. Le silicium microcristallin est le milieu entre A-Si et poly-Si puisque la structure du poly-Si est composée de nombreux cristallites. Cette forme spécifique est réalisée par recuit du matériau silicium, c'est-à-dire en ajoutant de la chaleur pour altérer les propriétés de la structure. Avec le poly-Si, les atomes du réseau cristallin se déplacent et se déplacent lorsqu'ils sont chauffés, et lorsqu'ils sont refroidis, la structure recristallise.

La plus grande différence entre ces formes, notamment A-Si et poly-Si, est que les porteurs de charge sont beaucoup plus mobiles et le matériau est beaucoup plus stable lorsqu'il s'agit d'utiliser du poly-Si sur A-Si. Lors de la création d'écrans TFT complexes et rapides, les caractéristiques du poly-Si le permettent. Pourtant, A-Si est toujours très important en raison de sa nature à faible fuite, ce qui signifie que le courant de fuite n'est pas perdu aussi fortement lorsqu'un isolant diélectrique n'est pas totalement non conducteur.

En 1986, le premier poly-Si à basse température (LTPS) a été démontré par Hitachi. Le LTPS joue un rôle important dans la fabrication de dispositifs car le substrat de verre n'est pas aussi résistant aux températures élevées, donc pour recuire le poly-Si, des températures plus basses sont utilisées.

Plusieurs années plus tard, un autre développement a été réalisé en 2012 sous la forme d'oxyde d'indium gallium zinc (IGZO) qui a permis un affichage plus puissant en termes de taux de rafraîchissement et plus d'efficacité en termes de consommation d'énergie. Ce matériau semi-conducteur, comme son nom l'indique, utilise de l'indium, du gallium, du zinc et de l'oxygène. Bien qu'il s'agisse d'une forme d'oxyde de zinc (ZnO), l'ajout d'indium et de gallium permet à ce matériau de se déposer dans une phase amorphe uniforme tout en maintenant la mobilité élevée des porteurs de l'oxyde.

Au fur et à mesure que les TFT ont commencé à augmenter leur présence dans la technologie d'affichage, les semi-conducteurs et les électrodes transparents sont devenus plus attrayants pour les fabricants. L'oxyde d'indium et d'étain (ITO) est un exemple d'oxyde transparent populaire utilisé pour son apparence, sa bonne conductivité et sa facilité de dépôt.

RLa recherche du TFT avec différents matériaux a conduit à l'application d'une tension de seuil, ou de la quantité de tension nécessaire pour allumer l'appareil. Cette valeur dépend fortement de l'épaisseur et du choix de l'oxyde. En ce qui concerne l'oxyde, cela renvoie à l'idée de courant de fuite. Avec des couches plus minces et certains types d'oxyde, le courant de fuite peut être plus important, mais cela pourrait à son tour abaisser la tension de seuil, car les fuites dans l'appareil augmenteront également. Afin d'exploiter le potentiel de faible consommation d'énergie du TFT, plus la tension de seuil est basse, meilleur est l'attrait de l'appareil.

Une autre branche de développement issue du TFT est celle des TFT organiques (OTFT). Créés pour la première fois en 1986, les OTFT utilisent généralement la coulée en solution de polymères ou de macromolécules. Cet appareil a rendu les gens hésitants, car il avait tendance à avoir une mobilité de transporteur lente, ce qui signifie des temps de réponse lents. Cependant, les chercheurs ont mené des expérimentations avec l'OTFT car il a le potentiel d'être appliqué à affichages différents de ceux des écrans TFT traditionnels sont utilisés pour, tels que les écrans flexibles en plastique. Cette recherche se poursuit encore aujourd'hui. Avec son traitement plus simple que la technologie traditionnelle du silicium, l'OTFT détient un grand potentiel pour les technologies modernes et futures.

 

TFT Présent : Aperçu

Comme indiqué, le TFT a évolué pour devenir diversement capable de répondre aux besoins des avancées technologiques. En raison de leurs excellentes propriétés d'imagerie ainsi que de leur fabrication abordable et à faible coût, Les appareils et la technologie TFT ont considérablement augmenté en nombre et en objet depuis la création du TFT.

Par exemple, Apple, une marque bien connue et populaire pour une variété d'écrans, utilise le TFT LCD pour des appareils comme leurs iPhones, Macbooks et iPads. Il y a eu un développement qu'Apple a commencé à explorer appelé les diodes électroluminescentes organiques (OLED) ; Les OLED ont la capacité de créer des écrans plus fins et plus flexibles. Il y a encore de nombreux inconvénients à cela, à ce jour; l'OLED est beaucoup plus cher et plus fragile au contact de l'eau, de sorte que l'écran LCD TFT est toujours la technologie d'affichage la plus importante à notre époque. Il existe également une matrice active OLED (AMOLED), une combinaison des OLED couches et couches TFT. C'est ce qu'Apple a commencé à mettre en œuvre dans ses appareils comme l'iPhone X et les montres Apple. Cet écran permet des couleurs plus profondes et plus riches, ce sur quoi Apple concentre une grande partie de son marché.

Mais la technologie et les appareils TFT ne se limitent pas seulement aux écrans comme ceux d'Apple. Avec les avantages de haute résolution et de haute performance du TFT, il a trouvé sa place dans l'avancement de l'automobile et les domaines médicaux. Les tableaux de bord de voiture ainsi que les écrans utilisent souvent des écrans LCD TFT. En médecine, le TFT peut agir comme un récepteur d'images pour les images radiographiques.

Alors que notre monde dépend désormais si fortement de ce type de technologies, des «sociétés technologiques» ont émergé pour unir des ingénieurs, des technologues et d'autres professionnels ou aspirants. L'Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE) en fait partie et se consacre à améliorer l'humanité grâce à la technologie. Un sous-ensemble spécifique de ce groupe plus large est l'Electron Devices Society (EDS) qui se concentre sur les dispositifs à base d'électrons ou d'ions. Cette sous-société publie des lettres dans une revue scientifique sur les théories et les conceptions de dispositifs électroniques.

L'avenir du TFT

Bien qu'il y ait encore de la place pour la croissance du TFT traditionnel, les développeurs ont l'intention d'étendre la nature applicative du TFT. Depuis le développement de l'OTFT en 1986, l'idée de créer des écrans flexibles est une voie reconnue pour les développeurs, mais peu l'ont choisi plutôt que des écrans plats. Ces types d'appareils flexibles sont appelés appareils électroniques à grande surface (LAE). Utilisation de matériaux moins toxiques pour l'environnement que les écrans TFT traditionnels, les LAE, ou plus précisément les LAE organiques (OLAE), sont une extension émergente des concepts TFT.

Pourtant, des défis se présentent toujours, car ces écrans organiques n'ont pas autant de caractéristiques souhaitables que les consommateurs souhaitent généralement en termes de résolution et de taux de réponse. À cause de ce, les écrans LCD TFT traditionnels continuent de dominer le marché, mais à mesure que la recherche et l'expérimentation sur ces technologies biologiques s'ensuivent, il n'y a pas encore de limite Écrans TFT, et il est probable que la technologie d'affichage continuera à s'améliorer en termes de vitesse, de qualité et de polyvalence.

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