Die Evolution der TFT-Displays

Da unsere Gesellschaft immer technologischer wird, scheinen Bildschirme fast überall zu erscheinen. Hunderttausende von komplexen, winzigen Geräten steuern die Pixel, die das Gesamtbild bilden, das wir hinter diesen Glasdisplays oder Flachbildschirmen sehen. Diese werden als Dünnschichttransistoren, kurz TFTs, bezeichnet.

Wann und wer hat das TFT erfunden?

Das TFT erschien 1962 nach einer Reihe von Entwicklungen auf dem Gebiet der Halbleiter und Mikroelektronik. Die Radio Corporation of America (RCA) hatte Jahre damit verbracht, mit Transistoren zu experimentieren und sie zu entwickeln, in der Hoffnung, ihre Anwendungen zu erweitern. Obwohl John Wallmark (ein Mitglied der RCA) 1957 das erste Dünnfilmpatent erhielt, war es Paul K. Weimer, ebenfalls von der RCA, der das TFT entwickelte.

Die Evolution der TFTs

1. Vor dem Aufkommen des TFT gab es den Field Effect Transistor (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 den Stromfluss innerhalb von Geräten zu steuern. FETs sind in der Regel mit Source, Drain und Gate sowie Elektroden aufgebaut, die den Kontakt und die Leitung mit dem Halbleiter ermöglichen. Diese Vorrichtung kann die angelegte Spannung durch das Gate steuern, indem sie die Bewegung von Ladungsträgern wie Elektronen oder Löchern erhöht oder verringert (das Fehlen eines Elektrons verursacht einen geladenen Sog) in einem Prozess, der als Ladungsträgermobilität oder Feldeffektmobilität für FETs bekannt ist. Ladungen können mit hochmobilen Halbleitern verstärkt, kontrolliert oder einfacher erzeugt werden. Der FET kann dann die Signalstärke (von der Quelle) ändern und an das Ziel (den Drain und den vorgesehenen Signalempfänger) senden.

Der FET wurde 1945 zum ersten Mal erfolgreich gebaut, Jahre nachdem die Idee 1925 erstmals patentiert worden war. Doch erst viele Jahre später, als Experimente den Metalloxid-Halbleiter-Feldenergietransistor (MOSFET) hervorbrachten, wurde der FET viel besser nutzbar. Die Wissenschaftler entdeckten, dass sie einen Gate-Isolator für das Gerät herstellen konnten, der eine kontrollierte Oxidation (die erzwungene Diffusion der Oxidschicht in eine andere Oberfläche) des Halbleiterstücks ermöglichte, das zuvor aus Silizium bestand. Diese neue Schicht wird als dielektrische Schicht oder Gate-Dielektrikum des MOSFET bezeichnet. Dieser Fortschritt ermöglichte den Einsatz von FETs in einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in der Display-Technologie.

2. Das TFT hat sich aus dem MOSFET entwickelt.

Das TFT unterscheidet sich von Standard-MOSFETs oder Bulk-MOSFETs dadurch, dass es, wie der Name schon sagt, dünne Schichten verwendet. Das TFT markierte den Beginn einer neuen Ära in der Elektronik. Bernard J. Lechner von RCA teilte 1968 seine Idee des TFT-Flüssigkristalldisplays (LCD) mit, nur sechs Jahre nach der ersten TFT-Entwicklung, etwas, das in unserer modernen Zeit immer beliebter werden sollte. Das TFT-LCD wurde 1973 in den Westinghouse Research Laboratories erfunden. Diese LCDs bestanden aus Pixeln, die von Transistoren gesteuert wurden. Substrate in FETs waren einfach das Halbleitermaterial, aber bei der Herstellung von TFT-LCDs wurden Glassubstrate verwendet, damit die Pixel dargestellt werden konnten.

Aber die TFT-Entwicklung hörte hier nicht auf. T. Peter Brody, einer der Entwickler des TFT-LCDs, und Fang-Chen Luo schufen 1974 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. Da die Displays immer komplexer wurden, ermöglichte dies eine bessere Leistung und Geschwindigkeit.

Ein Vergleich der Signalstrukturen einer aktiven Matrix (links) und einer passiven Matrix (rechts) ist oben dargestellt.

3. Das Hauptmaterial

des

TFT-Displays Obwohl TFTs eine Vielzahl von Halbleiterschichten verwenden können, ist Silizium am beliebtesten geworden, was zu dem siliziumbasierten TFT führte, das als Si-TFT abgekürzt wird. Das TFT ist, wie alle FETs, ein Halbleiterbauelement, das eine Festkörperelektronik verwendet, was bedeutet, dass Strom durch die Struktur der Halbleiterschicht und nicht durch Vakuumröhren fließt.

Die Eigenschaften des Si-TFTs können aufgrund der verschiedenen Siliziumstrukturen, die verwendet werden können, 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 nützlichsten, wenn es zu A-Si: H hydriert wird. Dadurch verändern sich die Eigenschaften von A-Si erheblich; Ohne Wasserstoff hat das Material Probleme mit Dotierung (das Einbringen von Verunreinigungen zur Erhöhung der Ladungsmobilität); in der Form A-Si: H. Die Halbleiterschicht hingegen wird deutlich lichtleitender und dotierbarer. Das A-SI:H TFT WURDE 1979 ERFUNDEN UND IST BEI Raumtemperatur stabil. Es wurde schnell zur besten Option für AM-LCDs, die aufgrund dieses Durchbruchs immer beliebter wurden.

Mikrokristallines Silizium ist eine mögliche zweite Form von Silizium. Obwohl es eine ähnliche Form wie A-Si hat, weist diese Art von Silizium auch Körner mit kristallinen Strukturen auf. Amorphe Strukturen haben zufälligere, weniger geometrische netzwerkartige Strukturen, während kristalline Strukturen strukturierter und organisierter sind. Mikrokristallines Silizium hat, wenn es richtig angebaut wird, eine bessere Elektronenbeweglichkeit als A-Si: H und eine höhere Stabilität, da es weniger Wasserstoff enthält. Es wird auf die gleiche Weise wie A-Si abgeschieden.

Schließlich ist polykristallines Silizium auch als Polysilizium und Poly-Si bekannt. Mikrokristallines Silizium ist aufgrund der polykristallinen Struktur von polykristallinem Silizium ein Zwischenprodukt zwischen A-Si und polykristallinem Silizium. Diese spezielle Form entsteht durch Glühen des Siliziummaterials, d. h. durch Zugabe von Wärme, um die Eigenschaften der Struktur zu verändern. Wenn Poly-Si erhitzt wird, verschieben und bewegen sich die Atome im Kristallgitter, und wenn es abgekühlt wird, rekristallisiert die Struktur.

Der Hauptunterschied zwischen diesen Formen, insbesondere A-Si und Poly-Si, besteht darin, dass die Ladungsträger in Poly-Si viel beweglicher sind und das Material viel stabiler ist als in A-Si. Die Eigenschaften von Poly-Si ermöglichen die Erstellung komplexer und schneller TFT-basierter Displays. Nichtsdestotrotz ist A-Si aufgrund seiner geringen Leckage sehr wichtig, was bedeutet, dass der Leckstrom nicht so stark verloren geht, wenn ein dielektrischer Isolator nicht nicht leitend ist.

Hitachi demonstrierte 1986 das erste Niedertemperatur-Poly-Si (LTPS). Da das Glassubstrat nicht so widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen ist wie LTPS, werden niedrigere Temperaturen zum Glühen des Poly-Si verwendet.

Einige Jahre später wurde Indium-Gallium-Zinkoxid (IGZO) entwickelt, das ein leistungsstärkeres Display in Bezug auf die Bildwiederholfrequenz und eine höhere Effizienz in Bezug auf den Stromverbrauch ermöglichte. Wie der Name schon sagt, enthält dieses halbleitende Material Indium, Gallium, Zink und Sauerstoff. Obwohl es sich um eine Art Zinkoxid (ZnO) handelt, ermöglicht die Zugabe von Indium und Gallium, dass dieses Material in einer gleichmäßigen amorphen Phase abgeschieden wird, während die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit des Oxids erhalten bleibt.

Transparente Halbleiter und Elektroden wurden für die Hersteller immer attraktiver, da TFTs in der Displaytechnologie immer mehr an Bedeutung gewannen. Indiumzinnoxid (ITO) ist aufgrund seines attraktiven Aussehens, seiner guten Leitfähigkeit und seiner leichten Abscheidung ein beliebtes transparentes Oxid.

Die TFT-Forschung mit verschiedenen Materialien hat dazu geführt, dass eine Schwellenspannung angelegt wurde, bzw. wie viel Spannung erforderlich ist, um das Gerät einzuschalten. Dieser Wert hängt stark von der Dicke und Art des verwendeten Oxids ab. Dies hängt mit dem Konzept des Leckstroms zusammen, wenn es um Oxid geht. Der Leckstrom kann bei dünneren Schichten und bestimmten Oxidarten höher sein, aber dies kann die Schwellenspannung senken, wenn die Leckage in das Gerät zunimmt. Um das Potenzial des TFT für einen geringen Stromverbrauch zu nutzen, gilt: Je niedriger die Schwellenspannung, desto attraktiver ist das Gerät.

Organische TFTs (OTFT) sind ein weiterer Entwicklungszweig, der aus TFT hervorgegangen ist. OTFTs, die erstmals 1986 entwickelt wurden, werden in der Regel durch Lösungsgusspolymere oder Makromoleküle hergestellt. Die Leute waren misstrauisch gegenüber diesem Gerät, weil es eine langsame Trägermobilität hatte, was langsame Reaktionszeiten bedeutete. Forscher haben jedoch mit dem OTFT experimentiert, da es das Potenzial hat, in anderen Displays als denen, für die herkömmliche TFTs verwendet werden, wie z. B. flexible Kunststoffdisplays, verwendet zu werden. Diese Untersuchung ist noch nicht abgeschlossen. Die OTFT hat mit ihrer einfacheren Verarbeitung als die traditionelle Siliziumtechnologie viel Potenzial für moderne und zukünftige Technologien.