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Transistor de película delgada

Un transistor de película delgada ( TFT ) es un tipo especial de transistor de efecto de campo (FET) en el que el transistor se fabrica mediante deposición de película delgada . Los TFT se cultivan sobre un sustrato de soporte (pero no conductor) , como el vidrio . Esto difiere del transistor de efecto de campo de óxido metálico ( MOSFET ) convencional, donde el material semiconductor suele ser el sustrato, como una oblea de silicio . [1] La aplicación tradicional de los TFT es en pantallas TFT de cristal líquido .

Diseño y fabricación

Los TFT se pueden fabricar con una amplia variedad de materiales semiconductores. Debido a que es naturalmente abundante y bien conocido, el silicio amorfo o policristalino se utilizó (y todavía se utiliza) como capa semiconductora. Sin embargo, debido a la baja movilidad del silicio amorfo [2] y las grandes variaciones entre dispositivos que se encuentran en el silicio policristalino, [3] [4] [5] se han estudiado otros materiales para su uso en TFT. Estos incluyen seleniuro de cadmio , [6] [7] óxidos metálicos como el óxido de indio, galio y zinc (IGZO) u óxido de zinc , [8] semiconductores orgánicos , [9] nanotubos de carbono , [10] o perovskitas de haluros metálicos . [11]

Diagrama de sección transversal de 4 estructuras comunes de transistores de película delgada

Dado que los TFT se cultivan sobre sustratos inertes, en lugar de obleas, el semiconductor debe depositarse en un proceso específico. Se utilizan diversas técnicas para depositar semiconductores en TFT. Estos incluyen la deposición química de vapor (CVD), la deposición de capas atómicas (ALD) y la pulverización catódica . El semiconductor también se puede depositar a partir de una solución [12] mediante técnicas como la impresión [13] o el recubrimiento por pulverización. [14] Se espera que las técnicas basadas en soluciones conduzcan a productos electrónicos mecánicamente flexibles y de bajo costo. [15] Debido a que los sustratos típicos se deformarán o fundirán a altas temperaturas, el proceso de deposición debe llevarse a cabo a temperaturas relativamente bajas en comparación con el procesamiento electrónico tradicional de materiales. [dieciséis]

Algunos semiconductores de banda prohibida ancha, sobre todo los óxidos metálicos, son ópticamente transparentes. [17] Al emplear también sustratos transparentes, como vidrio, y electrodos transparentes , como óxido de indio y estaño (ITO), algunos dispositivos TFT pueden diseñarse para que sean completamente ópticamente transparentes. [18] Estos TFT transparentes (TTFT) podrían usarse para habilitar visualizaciones frontales (como en el parabrisas de un automóvil). Los primeros TTFT procesados ​​en solución, basados ​​en óxido de zinc , fueron reportados en 2003 por investigadores de la Universidad Estatal de Oregon . [19] El laboratorio portugués CENIMAT de la Universidade Nova de Lisboa ha producido el primer TFT del mundo completamente transparente a temperatura ambiente. [20] CENIMAT también desarrolló el primer transistor de papel, [21] que puede dar lugar a aplicaciones como revistas y páginas de diarios con imágenes en movimiento.

Muchas pantallas AMOLED utilizan transistores TFT LTPO (óxido y silicio policristalino de baja temperatura). Estos transistores ofrecen estabilidad a frecuencias de actualización bajas y frecuencias de actualización variables, lo que permite pantallas de ahorro de energía que no muestran artefactos visuales. [22] [23] [24] Las pantallas OLED grandes generalmente usan transistores TFT AOS (semiconductor de óxido amorfo), también llamados TFT de óxido [25] y generalmente se basan en IGZO. [26]

Aplicaciones

La aplicación más conocida de los transistores de película delgada es la de los LCD TFT , una implementación de la tecnología de pantalla de cristal líquido . Los transistores están integrados dentro del propio panel, lo que reduce la diafonía entre píxeles y mejora la estabilidad de la imagen.

A partir de 2008 , muchos televisores y monitores LCD en color utilizan esta tecnología. Los paneles TFT se utilizan frecuentemente en aplicaciones de radiografía digital en radiografía general. Un TFT se utiliza tanto en captura directa como indirecta [ jerga ] como base para el receptor de imágenes en radiografía médica .

A partir de 2013 , todos los dispositivos de visualización electrónicos modernos de alta resolución y alta calidad utilizan pantallas de matriz activa basadas en TFT . [27]

Las pantallas AMOLED también contienen una capa TFT para el direccionamiento de píxeles de matriz activa de diodos emisores de luz orgánicos individuales .

El aspecto más beneficioso de la tecnología TFT es el uso de un transistor separado para cada píxel de la pantalla. Como cada transistor es pequeño, la cantidad de carga necesaria para controlarlo también es pequeña. Esto permite volver a dibujar la pantalla muy rápidamente.

Estructura de una matriz de pantalla TFT

Esta imagen no incluye la fuente de luz real (generalmente lámparas fluorescentes de cátodo frío o LED blancos ), solo la matriz de pantalla TFT.

Historia

En febrero de 1957, John Wallmark de RCA presentó una patente para un MOSFET de película delgada en el que se utilizaba monóxido de germanio como dieléctrico de puerta. Paul K. Weimer , también de RCA, implementó las ideas de Wallmark y desarrolló el transistor de película delgada (TFT) en 1962, un tipo de MOSFET distinto del MOSFET estándar. Estaba elaborado con finas películas de seleniuro de cadmio y sulfuro de cadmio . En 1966, TP Brody y HE Kunig de Westinghouse Electric fabricaron TFT MOS de arseniuro de indio (InAs) tanto en modo de agotamiento como de mejora . [28] [29] [30] [31] [32] [33]

La idea de una pantalla de cristal líquido (LCD) basada en TFT fue concebida por Bernard J. Lechner de RCA Laboratories en 1968. [34] Lechner, FJ Marlowe, EO Nester y J. Tults demostraron el concepto en 1968 con una matriz de 18x2 LCD de dispersión dinámica que utilizaba MOSFET discretos estándar, ya que el rendimiento de TFT no era adecuado en ese momento. [35] En 1973, T. Peter Brody , JA Asars y GD Dixon en Westinghouse Research Laboratories desarrollaron un TFT de CdSe (seleniuro de cadmio), que utilizaron para demostrar la primera pantalla de cristal líquido con transistor de película delgada (TFT LCD) de CdSe. . [31] [36] El grupo Westinghouse también informó sobre la electroluminiscencia (EL) TFT operativa en 1973, utilizando CdSe. [37] Brody y Fang-Chen Luo demostraron la primera pantalla plana de cristal líquido de matriz activa (AM LCD) utilizando CdSe en 1974, y luego Brody acuñó el término "matriz activa" en 1975. [34] Sin embargo, la producción en masa de Este dispositivo nunca se realizó debido a complicaciones en el control de las propiedades del material de película delgada del semiconductor compuesto y a la confiabilidad del dispositivo en grandes áreas. [31]

Un gran avance en la investigación de TFT se produjo con el desarrollo del TFT de silicio amorfo (a-Si) por PG le Comber, WE Spear y A. Ghaith en la Universidad de Dundee en 1979. Informaron sobre el primer TFT funcional hecho de a-Si hidrogenado. con una capa dieléctrica de puerta de nitruro de silicio . [31] [38] Pronto se reconoció que el TFT a-Si era más adecuado para un LCD AM de área grande. [31] Esto llevó a la investigación y el desarrollo (I+D) comercial de paneles LCD AM basados ​​en TFT a-Si en Japón. [39]

En 1982, se desarrollaron en Japón televisores de bolsillo basados ​​​​en tecnología AM LCD. [40] En 1982, S. Kawai de Fujitsu fabricó una pantalla de matriz de puntos a-Si , y Y. Okubo de Canon fabricó paneles LCD nemáticos trenzados (TN) y host invitado de a -Si . En 1983, K. Suzuki, de Toshiba , produjo matrices TFT a-Si compatibles con circuitos integrados (CI) CMOS (semiconductores de óxido metálico complementario) , M. Sugata, de Canon, fabricó un panel LCD en color a-Si y una empresa conjunta de Sanyo y El equipo de Sanritsu , formado por Mitsuhiro Yamasaki, S. Suhibuchi e Y. Sasaki, fabricó un televisor LCD en color a-SI de 3 pulgadas. [39]

El primer producto comercial AM LCD basado en TFT fue el Epson [41] [42] [43] ET-10 [37] (Epson Elf) de 2,1 pulgadas, el primer televisor de bolsillo LCD en color, lanzado en 1984. [44] En En 1986, un equipo de investigación de Hitachi dirigido por Akio Mimura demostró un proceso de silicio policristalino de baja temperatura (LTPS) para fabricar TFT de canal n en un silicio sobre aislante (SOI), a una temperatura relativamente baja de 200  °C. [45] Un equipo de investigación de Hosiden dirigido por T. Sunata en 1986 utilizó TFT a-Si para desarrollar un panel LCD AM en color de 7 pulgadas, [46] y un panel LCD AM de 9 pulgadas. [47] A finales de la década de 1980, Hosiden suministró paneles LCD TFT monocromáticos a Apple Computer . [31] En 1988, un equipo de investigación de Sharp dirigido por el ingeniero T. Nagayasu utilizó TFT a-Si hidrogenados para demostrar una pantalla LCD a todo color de 14 pulgadas, [34] [48] que convenció a la industria electrónica de que la pantalla LCD eventualmente reemplazaría Tubo de rayos catódicos (CRT) como tecnología de visualización de televisión estándar . [34] El mismo año, Sharp lanzó paneles TFT LCD para PC portátiles . [37] En 1992, Toshiba e IBM Japón introdujeron un panel SVGA en color de 12,1 pulgadas para el primer portátil comercial en color de IBM . [37]

Los TFT también se pueden fabricar con óxido de indio, galio y zinc ( IGZO ). Los TFT-LCD con transistores IGZO aparecieron por primera vez en 2012 y fueron fabricados por primera vez por Sharp Corporation. IGZO permite frecuencias de actualización más altas y un menor consumo de energía. [49] [50] En 2021, se fabricó el primer microprocesador flexible de 32 bits utilizando tecnología IGZO TFT sobre un sustrato de poliimida . [51]

Ver también

Referencias

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