Storia della tecnologia dei transistor a film sottile: quando e chi ha inventato il TFT

La storia dei display TFT (Thin Film Transistor) 

La storia dei display TFT

Maggiori informazioni sulla tecnologia TFT si possono trovare qui:

Mentre la nostra società progredisce verso uno stato prevalentemente tecnologico, gli schermi sembrano apparire quasi ovunque. Dietro quei display in vetro, o display a schermo piatto, si trovano centinaia di migliaia di dispositivi complessi e minuscoli, che controllano i pixel che compongono l'immagine complessiva che vediamo. Questi dispositivi sono noti come transistor a film sottile o abbreviati TFT.

Da chi e quando è stato inventato il TFT?

Nel 1962, dopo una serie di sviluppi nel campo dei semiconduttori e della microelettronica, nacque il TFT. La Radio Corporation of America (RCA) aveva trascorso anni a sperimentare e sviluppare transistor nella speranza di espandere le possibilità del loro utilizzo. Sebbene il primo brevetto di film sottile di John Wallmark (membro della RCA) sia stato nel 1957, è stato Paul K. Weimer, anche lui della RCA, a sviluppare il TFT.

 

Evoluzione dei TFT

Prima dell'emergere del TFT, esisteva il transistor ad effetto di campo (FET). Il FET è un tipo di dispositivo a semiconduttore, che consente al transistor di avere proprietà di amplificazione, controllo o generazione con segnali elettrici. Questo transistor è stato creato per controllare il movimento e il flusso di corrente all'interno dei dispositivi. I FET hanno una struttura standard, costituita da source, drain e gate, nonché dai loro elettrodi individuali che consentono il contatto e la conduzione con il semiconduttore. Questo dispositivo può controllare la tensione applicata attraverso il gate aumentando o diminuendo il movimento dei portatori di carica come elettroni o lacune (l'assenza di un elettrone che provoca un'attrazione carica) in un modo chiamato mobilità del portatore, o più specifico per i FET, campo- effetto mobilità. Con i semiconduttori ad alta mobilità, le cariche vengono amplificate, controllate o generate più facilmente. Il FET può quindi alterare i segnali insieme ai loro punti di forza (dalla sorgente) inviati alla destinazione (lo scarico e il destinatario del segnale designato).

Il FET è stato costruito con successo per la prima volta nel 1945, anni dopo che l'idea è stata brevettata per la prima volta nel 1925. Tuttavia, non è stato fino alla sperimentazione che ha creato il transistor di energia di campo a semiconduttore in ossido di metallo (MOSFET) molti anni successivi che il FET è diventato molto più utilizzabile . Gli scienziati hanno scoperto che potevano creare un isolante di gate per il dispositivo e, così facendo, ha consentito l'ossidazione controllata (la diffusione forzata dello strato di ossido in un'altra superficie) del pezzo semiconduttore, che è stato tipicamente fatto di silicio. Questo nuovo strato è noto come strato dielettrico o dielettrico di gate del MOSFET. Questo sviluppo ha reso possibile l'integrazione dei FET in un'ampia varietà di usi, ma soprattutto nella tecnologia di visualizzazione.

 

 

Dal MOSFET è nato il TFT. Il TFT varia dai MOSFET standard, o MOSFET bulk, perché, come suggerisce il nome, utilizza film sottili. Il TFT ha iniziato una nuova era dell'elettronica. Nel 1968, appena sei anni dopo il primo sviluppo TFT, Bernard J. Lechner di RCA ha condiviso la sua idea del display a cristalli liquidi TFT (LCD), qualcosa che sarebbe diventato popolare nei nostri tempi moderni. Il TFT LCD è stato quindi creato per la prima volta nel 1973 presso i Westinghouse Research Laboratories. Questi LCD erano composti da pixel controllati da transistor. Nei FET, i substrati erano solo il materiale semiconduttore, ma nella produzione di LCD TFT sono stati utilizzati substrati di vetro in modo che i pixel potessero essere visualizzati.

Ma quella non era la fine degli sviluppi di TFT. Poco dopo, nel 1974, T. Peter Brody, uno degli sviluppatori del TFT LCD, e Fang-Chen Luo crearono il primo LCD a matrice attiva (AM LCD). Una matrice attiva controlla ogni pixel individualmente, il che significa che il rispettivo TFT di ogni pixel ha mantenuto il suo segnale attivamente. Ciò ha aperto le porte a prestazioni e velocità migliori man mano che i display diventavano più complessi.

 

Sopra, un confronto tra le strutture di segnalazione di una matrice attiva (a sinistra) e quella di una matrice passiva (a destra).

 

Sebbene i TFT possano utilizzare una varietà di materiali per i loro strati di semiconduttori, il silicio è diventato il più popolare, creando il TFT a base di silicio, abbreviato in Si TFT. Come dispositivo a semiconduttore, il TFT, così come tutti i FET, utilizzano l'elettronica a stato solido, il che significa che l'elettricità scorre attraverso la struttura dello strato semiconduttore anziché i tubi a vuoto.

A causa della varietà delle possibili strutture del silicio, anche le caratteristiche del Si TFT possono variare. La forma più comune è il silicio amorfo (A-Si), che viene depositato durante la prima fase del processo di fabbricazione dei semiconduttori sul substrato a basse temperature. È più utilizzabile quando idrogenato nella forma A-Si:H. Questo quindi altera significativamente le proprietà di A-Si; senza l'idrogeno, il materiale lotta con il doping (l'introduzione di impurità per aumentare la mobilità delle cariche); nella forma A-Si:H, invece, lo strato semiconduttore diventa molto più fotoconduttivo e drogabile. L'A-Si: H TFT è stato sviluppato per la prima volta nel 1979 ed è stabile a temperatura ambiente ed è diventato l'opzione migliore per gli LCD AM, che di conseguenza ha iniziato a crescere in popolarità dopo questa svolta.

Una seconda forma potenziale di silicio è il silicio microcristallino. Sebbene mantenga una forma simile all'A-Si, questo tipo di silicio ha anche grani delle cosiddette strutture cristalline. Le strutture amorfe hanno una forma più casuale e meno geometrica rispetto alle loro strutture a rete, ma il cristallino, d'altra parte, è più strutturato e organizzato. Se coltivato correttamente, il silicio microcristallino ha una migliore mobilità degli elettroni rispetto a A-Si:H e anche una maggiore stabilità, poiché ha meno idrogeno all'interno della sua struttura. È depositato in modo simile alla deposizione di A-Si.

E infine, c'è il silicio policristallino, noto anche come polisilicio e poli-Si. Il silicio microcristallino è il mezzo tra A-Si e poli-Si poiché la struttura del poli-Si è composta da molti cristalliti. Questa forma specifica viene realizzata mediante ricottura del materiale di silicio, il che significa aggiungere calore per alterare le proprietà della struttura. Con il poli-Si, gli atomi nel reticolo cristallino si spostano e si muovono quando vengono riscaldati e, quando vengono raffreddati, la struttura si ricristallizza.

 

 

La più grande differenza tra queste forme, in particolare A-Si e poly-Si, è che i portatori di carica sono molto più mobili e il materiale è molto più stabile quando si tratta di utilizzare poly-Si su A-Si. Quando si creano display basati su TFT complicati e ad alta velocità, le caratteristiche del poly-Si lo consentono. Tuttavia, l'A-Si è ancora molto importante a causa della sua natura a bassa dispersione, il che significa che la corrente di dispersione non viene persa così pesantemente quando un isolante dielettrico non è totalmente non conduttivo.

Nel 1986, Hitachi dimostrò il primo poli-Si a bassa temperatura (LTPS). LTPS svolge un ruolo importante nella produzione di dispositivi perché il substrato di vetro non è così resistente alle alte temperature, quindi per ricotturare il poli-Si vengono utilizzate temperature più basse.

Diversi anni dopo, nel 2012 è stato realizzato un altro sviluppo sotto forma di ossido di zinco indio gallio (IGZO) che ha consentito un display più potente in termini di frequenze di aggiornamento e una maggiore efficienza in termini di consumo energetico. Questo materiale semiconduttore, come indicato nel nome, utilizza indio, gallio, zinco e ossigeno. Pur trattandosi di una forma di ossido di zinco (ZnO), l'aggiunta di indio e gallio permette a questo materiale di depositarsi in una fase amorfa uniforme ma anche di mantenere l'elevata mobilità del portatore dell'ossido.

Quando i TFT hanno iniziato ad aumentare la loro presenza nella tecnologia dei display, i semiconduttori e gli elettrodi trasparenti sono diventati più attraenti per i produttori. L'ossido di indio e stagno (ITO) è un esempio di un popolare ossido trasparente utilizzato per il suo aspetto, la buona conduttività e la facilità di deposizione.

 

 

RLa ricerca del TFT con materiali diversi ha portato all'applicazione della tensione di soglia, ovvero quanta tensione è necessaria per accendere il dispositivo. Questo valore è fortemente dipendente dallo spessore e dalla scelta dell'ossido. Quando si tratta dell'ossido, questo si ricollega all'idea della corrente di dispersione. Con strati più sottili e alcuni tipi di ossido, la corrente di dispersione potrebbe essere maggiore, ma questa a sua volta potrebbe abbassare la tensione di soglia, poiché aumenterà anche la dispersione nel dispositivo. Per sfruttare il potenziale del TFT per il basso consumo energetico, minore è la tensione di soglia, migliore è l'appeal del dispositivo.

Un altro ramo di sviluppo derivato dal TFT è quello dei TFT organici (OTFT). Creati per la prima volta nel 1986, gli OTFT di solito utilizzano la colata in soluzione di polimeri o macromolecole. Questo dispositivo ha reso le persone esitanti, poiché tendeva ad avere una mobilità lenta del vettore, il che significa tempi di risposta lenti. Tuttavia, i ricercatori hanno effettuato sperimentazioni con l'OTFT perché ha il potenziale per essere applicato a display diversi da quelli per cui vengono utilizzati i TFT tradizionali, come i display flessibili in plastica. Questa ricerca continua ancora oggi. Con la sua elaborazione più semplice rispetto alla tradizionale tecnologia al silicio, l'OTFT ha molto potenziale per le tecnologie moderne e future.

 

TFT Present: Panoramica

Come discusso, il TFT si è evoluto per diventare diversamente capace di soddisfare le esigenze dei progressi tecnologici. Grazie alle loro grandi proprietà di imaging e alla produzione economica e a basso costo, i dispositivi e la tecnologia TFT sono aumentati drasticamente in numero e scopo dalla creazione del TFT.

Ad esempio, Apple, un marchio noto e popolare per una varietà di display, utilizza il TFT LCD per dispositivi come iPhone, Macbook e iPad. C'è stato uno sviluppo che Apple ha iniziato a esplorare chiamato diodi organici a emissione di luce (OLED); Gli OLED hanno la capacità di creare display più sottili e flessibili. Ci sono ancora molti aspetti negativi di questo, ad oggi; l'OLED è molto più costoso e più fragile al contatto con l'acqua, quindi l'LCD TFT è ancora la tecnologia di visualizzazione più importante nel nostro tempo attuale. C'è anche qualcosa come l'OLED a matrice attiva (AMOLED), una combinazione di OLED strati e strati TFT. Questo è ciò che Apple ha iniziato a implementare nei suoi dispositivi come iPhone X e Apple Watch. Questo display consente colori più profondi e ricchi, qualcosa su cui Apple si concentra gran parte del proprio mercato.

Ma la tecnologia e i dispositivi TFT non si limitano solo a display come quelli di Apple. Con i vantaggi dell'alta risoluzione e delle prestazioni elevate del TFT, ha trovato la sua strada nel progresso automobilistico e nel campo medico. I cruscotti delle auto e gli schermi utilizzano spesso display LCD TFT. In medicina, il TFT può fungere da recettore di immagine per le immagini radiografiche.

Poiché il nostro mondo ora si basa così tanto su questo tipo di tecnologie, sono emerse "società tecnologiche" per unire ingegneri, tecnologi e altri professionisti o aspiranti persone. L'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) è uno di questi e si dedica a migliorare l'umanità con la tecnologia. Un sottoinsieme specifico di questo gruppo più ampio è l'Electron Devices Society (EDS) che si concentra su dispositivi basati su elettroni o ioni. Questa sotto-società pubblica lettere in una rivista scientifica su teorie e progetti di dispositivi elettronici.

 

Il futuro di TFT

Mentre c'è ancora spazio per la crescita del TFT tradizionale, gli sviluppatori hanno gli occhi sull'espansione della natura applicativa del TFT. Dallo sviluppo dell'OTFT nel 1986, l'idea di creare display flessibili è stata un percorso riconosciuto per gli sviluppatori, ma pochi lo hanno scelto rispetto ai display a schermo piatto. Questi tipi di dispositivi flessibili sono chiamati elettronica di grandi dimensioni (LAE). Utilizzando materiali meno tossici per l'ambiente rispetto ai tradizionali display TFT, i LAE, o più specificamente i LAE organici (OLAE), sono un'espansione emergente per i concetti TFT.

 

Tuttavia, le sfide si presentano ancora, poiché questi display organici non hanno tutte le caratteristiche desiderabili che i consumatori in genere desiderano in termini di risoluzione e tassi di risposta. Per questo motivo, i tradizionali LCD TFT continuano a dominare il mercato, ma con la ricerca e la sperimentazione su queste tecnologie organiche, non è ancora stato posto un limite ai display basati su TFT ed è probabile che la tecnologia dei display continuerà a migliorare in velocità, qualità e versatilità.

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