薄膜トランジスタ技術の歴史–いつ誰がTFTを発明したか

TFT(薄膜トランジスタ)ディスプレイの歴史 

TFTディスプレイの歴史

あなたがここで見つけることができるTFT技術についてのより多くの情報:

私たちの社会が圧倒的に技術的な状態に進むにつれて、画面はほとんどどこにでも現れるように見えます。 これらのガラスディスプレイまたはフラットパネルディスプレイの背後には、何十万もの複雑で小さなデバイスがあり、私たちが見る画像全体を構成するピクセルを制御しています。 これらのデバイスは、薄膜トランジスタ、または略してTFTとして知られています。

TFTは誰によっていつ発明されましたか?

1962年、半導体とマイクロエレクトロニクスの分野で一連の開発が行われた後、TFTが登場しました。 Radio Corporation of America(RCA)は、トランジスタの使用の可能性を拡大することを期待して、トランジスタの実験と開発に何年も費やしてきました。 John Wallmark(RCAのメンバー)による最初の薄膜特許は1957年でしたが、TFTを開発したのは同じくRCAのPaul K.Weimerでした。

TFTの進化

TFTが登場する前は、電界効果トランジスタ(FET)が存在していました。 FETは半導体デバイスの一種であり、トランジスタが電気信号で増幅、制御、または生成する特性を持つことを可能にします。 このトランジスタは、デバイス内の電流の動きと流れを制御するために作成されました。 FETには標準ビルドがあります、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個々の電極で構成されます。 このデバイスは、電子や正孔などの電荷キャリアの動き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。 (帯電した引っ張りを引き起こす電子の欠如)キャリア移動度と呼ばれる方法で、またはより具体的にはFET、電界効果移動度。 高移動度の半導体を使用すると、電荷の増幅、制御、または生成がより簡単になります。 その後、FETは信号とその強度を変更できます (送信元から)宛先(ドレインおよび指定された信号受信者)に送信されます。

FETは、1945年にアイデアが最初に特許を取得してから数年後の1925年に最初に成功裏に構築されました。しかし、FETがはるかに使いやすくなるのは、その後何年も後に金属酸化膜半導体電界エネルギートランジスタ(MOSFET)を作成した実験までではありませんでした。 。 科学者たちは、デバイスのゲート絶縁体を作成できることを発見しました。そうすることで、通常はシリコンでできている半導体部品の制御された酸化(酸化物層の別の表面への強制拡散)が可能になりました。 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。 この開発により、FETをさまざまな用途に統合することが可能になりましたが、最も注目すべきはディスプレイ技術です。

MOSFETからTFTが誕生しました。 TFTは、その名前が示すように薄膜を使用しているため、標準の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を開始しました。 最初のTFT開発からわずか1968年後の1973年、RCAのBernard J. Lechnerは、現代で人気が急上昇するTFT液晶ディスプレイ(LCD)のアイデアを共有しました。 その後、TFT LCDは、XNUMX年にWestinghouse ResearchLaboratoriesで最初に作成されました。 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では基板は単なる半導体材料でしたが、TFT LCDの製造では、ピクセルを表示できるようにガラス基板を使用していました。

しかし、それはTFT開発の終わりではありませんでした。 その後すぐに、1974年にTFTLCDの開発者のXNUMX人であるT.PeterBrodyとFang-ChenLuoが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します。つまり、各ピクセルのそれぞれのTFTは、その信号がアクティブに保存されていました。 これにより、ディスプレイがより複雑になるにつれて、パフォーマンスと速度の向上への扉が開かれました。

上記は、アクティブマトリックス(左)とパッシブマトリックス(右)のシグナル伝達構造の比較です。

TFTは半導体層にさまざまな材料を使用できますが、シリコンが最も人気があり、SiTFTと略されるシリコンベースのTFTが作成されています。 半導体デバイスとして、TFTおよびすべてのFETはソリッドステート電子機器を使用します。つまり、電気は真空管ではなく半導体層の構造を通って流れます。

シリコンの可能な構造は多様であるため、SiTFTの特性も変化する可能性があります。 最も一般的な形態はアモルファスシリコン(A-Si)であり、これは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の形に水素化されたときに最も使用可能です。 これにより、A-Siの特性が大幅に変化します。 水素がないと、材料はドーピング(電荷の移動度を上げるための不純物の導入)に苦労します。 ただし、A-Si:Hの形式では、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年に最初に開発され、室温で安定しており、AM LCDに最適なオプションとなり、この画期的な進歩の後に人気が高まり始めました。

シリコンのXNUMX番目の潜在的な形態は微結晶シリコンです。 A-Siと同様の形状を保持していますが、このタイプのシリコンには、結晶構造として知られている粒子もあります。 アモルファス構造は、ネットワークのような構造に対してよりランダムで幾何学的な形状を持っていませんが、一方で、結晶はより構造化され、組織化されています。 正しく成長した場合、微結晶シリコンは、構造内の水素が少ないため、A-Si:Hよりも電子移動度が高く、安定性も高くなります。 これは、A-Siの堆積と同様の方法で堆積されます。

そして最後に、ポリシリコンおよびポリシリコンとしても知られる多結晶シリコンがあります。 ポリシリコンの構造は多くの結晶子で構成されているため、微結晶シリコンはA-Siとポリシリコンの中間にあります。 この特定の形態は、構造の特性を変えるために熱を加えることを意味するシリコン材料をアニーリングすることによって作られます。 poly-Siの場合、結晶格子内の原子は、加熱するとシフトして移動し、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の最大の違いは、A-Siよりもpoly-Siを使用する場合、電荷キャリアの移動性がはるかに高く、材料の安定性がはるかに高いことです。 複雑で高速なTFTベースのディスプレイを作成する場合、poly-Siの特性によりこれが可能になります。 それでも、A-Siは漏れが少ないという性質があるため、依然として非常に重要です。つまり、誘電体絶縁体が完全に非導電性でない場合でも、漏れ電流はそれほど大きく失われません。

1986年に、最初の低温ポリシリコン(LTPS)が日立によって実証されました。 LTPSは、ガラス基板が高温に対してそれほど耐性がないため、デバイスの製造で大きな役割を果たします。そのため、poly-Siをアニールするために、より低い温度が使用されます。

数年後、2012年にインジウムガリウム亜鉛酸化物(IGZO)の形で別の開発が行われ、リフレッシュレートの点でより強力な表示が可能になり、消費電力の点でより効率的になりました。 この半導体材料は、名前にあるように、インジウム、ガリウム、亜鉛、および酸素を使用しています。 酸化亜鉛(ZnO)の一種ですが、インジウムとガリウムを添加することで、この材料を均一なアモルファス相に堆積させると同時に、酸化物の高いキャリア移動度を維持することができます。

TFTがディスプレイ技術での存在感を増し始めるにつれて、透明な半導体と電極はメーカーにとってより魅力的になりました。 インジウムスズ酸化物(ITO)は、その外観、優れた導電性、および堆積の容易さのために使用される人気のある透明酸化物の例です。

Rさまざまな材料を使用したTFTの研究により、しきい値電圧、つまりデバイスの電源をオンにするために必要な電圧が適用されました。 この値は、酸化物の厚さと選択に大きく依存します。 酸化物に関して言えば、これは漏れ電流の考え方に関係しています。 より薄い層と特定の種類の酸化物では、リーク電流が大きくなる可能性がありますが、デバイスへのリークも増加するため、これによりしきい値電圧が低下する可能性があります。 低消費電力のTFTの可能性を活用するために、しきい値電圧が低いほど、デバイスの魅力が高まります。

TFTに由来する開発のもう1986つの分野は、有機TFT(OTFT)の分野です。 XNUMX年に最初に作成されたOTFTは、通常、ポリマーまたは高分子の溶液キャストを使用します。 このデバイスは、キャリアの移動度が遅く、応答時間が遅い傾向があるため、人々を躊躇させました。 しかし、OTFTはに適用される可能性があるため、研究者はOTFTを使って実験を行ってきました。 従来のTFTとは異なる表示 柔軟なプラスチックディスプレイなどに使用されます。 この研究は今日も続いています。 従来のシリコン技術よりも処理が簡単なOTFTは、現代および将来の技術に大きな可能性を秘めています。

 

現在のTFT:概要

前述のように、TFTは進化して、技術の進歩のニーズを満たすことができるようになりました。 それらの優れたイメージング特性と手頃な価格の低コストの製造により、 TFTデバイスとテクノロジーが劇的に増加しました TFTの作成以来、数と目的があります。

たとえば、さまざまなディスプレイで有名で人気のあるブランドであるAppleは、 TFT LCD iPhone、Macbook、iPadなどのデバイス向け。 Appleが調査し始めた有機発光ダイオード(OLED)と呼ばれる開発がありました。 OLEDには、より薄く、より柔軟なディスプレイを作成する機能があります。 今日の時点で、これにはまだ多くの欠点があります。 OLEDははるかに高価で、水と接触するのがより壊れやすいため、TFTLCDは現在でも最も優れたディスプレイ技術です。 アクティブマトリックスOLED(AMOLED)のようなものもあります。 OLED 層とTFT層。 これは、AppleがiPhoneXやAppleWatchなどのデバイスに実装し始めたものです。 このディスプレイは、より深く、より豊かな色を可能にします。これは、Appleが市場の多くに焦点を当てているものです。

しかし、TFTテクノロジーとデバイスは、Appleのようなディスプレイだけに限定されていません。 TFTの高解像度と高性能の利点により、自動車の進歩と医療分野にその道を見出しました。 車のダッシュボードや画面は、TFTLCDディスプレイを使用することがよくあります。 医学では、TFTは放射線画像の画像受容体として機能することができます。

現在、私たちの世界はこの種の技術に大きく依存しているため、エンジニア、技術者、その他の専門家や意欲的な人々を結びつける「技術社会」が出現しています。 米国電気電子学会(IEEE)は、そのXNUMXつであり、テクノロジーによって人類を向上させることに専念しています。 このより大きなグループの特定のサブセットは、電子またはイオンベースのデバイスに焦点を当てているElectron Devices Society(EDS)です。 このサブソサエティは、電子デバイスの理論と設計に関する手紙を科学雑誌に掲載しています。

TFTの未来

従来のTFTにはまだ成長の余地がありますが、開発者はTFTの適用性を拡大することに目を向けています。 1986年のOTFTの開発以来、フレキシブルディスプレイを作成するというアイデアは開発者にとって認められた道でしたが、フラットパネルディスプレイよりもこれを選択した人はほとんどいません。 これらの柔軟な種類のデバイスは、大面積電子機器(LAE)と呼ばれます。 従来のTFTディスプレイよりも環境毒性の少ない材料を使用、LAE、より具体的には有機LAE(OLAE)は、TFTの概念の新たな拡張です。

それでも、これらの有機ディスプレイには、解像度と応答率の点で消費者が通常望んでいるほど多くの望ましい特性がないため、課題は依然として存在します。 このため、 従来のTFTLCDは引き続き市場を支配しています、しかし、これらの有機技術に関する研究と実験が続いているので、まだ制限がありません TFTベースのディスプレイ、そしてディスプレイ技術は、速度、品質、および汎用性が向上し続ける可能性があります。

お問い合わせ

    ショッピングカート

    閉じる

    サインイン

    閉じる

    一番上までスクロール