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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) donde el transistor se fabrica mediante deposición de película delgada . Los...

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Un transistor de película delgada ( TFT ) es un tipo especial de transistor de efecto de campo (FET) donde 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 metal-óxido-semiconductor ( 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 de cristal líquido TFT .

Diseño y fabricación

Los TFT se pueden fabricar con una amplia variedad de materiales semiconductores. Debido a su abundancia natural y a que se comprende bien, el silicio amorfo o policristalino se ha utilizado (y aún se utiliza) como capa semiconductora. Sin embargo, debido a la baja movilidad del silicio amorfo [ 2 ] y a 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 haluro metálico . [ 11 ]

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

Debido a que los TFT se cultivan en sustratos inertes, en lugar de en obleas, el semiconductor debe depositarse mediante un proceso específico. Se utilizan diversas técnicas para depositar semiconductores en los TFT. Estas incluyen la deposición química de vapor (CVD), la deposición de capas atómicas (ALD) y la pulverización catódica . El semiconductor también puede depositarse 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 la obtención de dispositivos electrónicos de bajo costo y mecánicamente flexibles. [ 15 ] Debido a que los sustratos típicos se deforman o se funden a altas temperaturas, el proceso de deposición debe llevarse a cabo a temperaturas relativamente bajas en comparación con el procesamiento tradicional de materiales electrónicos. [ 16 ]

Algunos semiconductores de banda prohibida ancha, sobre todo óxidos metálicos, son ópticamente transparentes. [ 17 ] Al emplear también sustratos transparentes, como el vidrio, y electrodos transparentes , como el óxido de indio y estaño (ITO), algunos dispositivos TFT pueden diseñarse para ser completamente transparentes ópticamente. [ 18 ] En 2004, Nomura et al. informaron sobre la fabricación a temperatura ambiente de TFT flexibles transparentes utilizando semiconductores de óxido amorfos. [ 19 ] Estos TFT transparentes (TTFT) podrían utilizarse para habilitar pantallas de visualización frontal (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 Oregón . [ 20 ] El laboratorio portugués CENIMAT en la Universidade Nova de Lisboa ha producido el primer TFT completamente transparente del mundo a temperatura ambiente. [ 21 ] CENIMAT también desarrolló el primer transistor de papel, [ 22 ] que puede conducir a aplicaciones como revistas y páginas de periódicos con imágenes en movimiento.

Muchas pantallas AMOLED utilizan transistores TFT de LTPO ( silicio y óxido policristalino de baja temperatura ). Estos transistores ofrecen estabilidad a bajas frecuencias de actualización y frecuencias de actualización variables, lo que permite pantallas de bajo consumo que no muestran artefactos visuales. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] Las pantallas OLED grandes suelen utilizar transistores TFT de AOS (semiconductor de óxido amporfásico), también llamados TFT de óxido [ 26 ] y estos suelen estar basados ​​en IGZO. [ 27 ]

Aplicaciones

La aplicación más conocida de los transistores de película delgada se encuentra en las pantallas LCD TFT , una implementación de la tecnología de visualización de cristal líquido . Los transistores están integrados en el propio panel, lo que reduce la interferencia entre píxeles y mejora la estabilidad de la imagen.

A partir de 2008Muchos televisores y monitores LCD a color utilizan esta tecnología. Los paneles TFT se utilizan frecuentemente en aplicaciones de radiografía digital en radiografía general. Un TFT se utiliza tanto en la captura directa como indirecta como base para el receptor de imagen en radiografía médica .

A partir de 2013, todos los dispositivos de visualización electrónica modernos de alta resolución y alta calidad utilizan pantallas de matriz activa basadas en TFT . [ 28 ]

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

La principal ventaja de la tecnología TFT reside en el uso de un transistor independiente para cada píxel de la pantalla. Dado que cada transistor es pequeño, la cantidad de carga necesaria para controlarlo también es mínima. Esto permite una actualización muy rápida de la pantalla.

Estructura de una matriz de pantalla TFT

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

Historia

En febrero de 1957, John Wallmark de RCA presentó una patente para un MOSFET de película delgada en el que se utilizó 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 de volumen. Se fabricó con películas delgadas de seleniuro de cadmio y sulfuro de cadmio . En 1966, TP Brody y HE Kunig en Westinghouse Electric fabricaron TFT MOS de arseniuro de indio (InAs) en modos de agotamiento y enriquecimiento . [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

La idea de una pantalla de cristal líquido (LCD) basada en TFT fue concebida por Bernard J. Lechner de RCA Laboratories en 1968. [ 35 ] Lechner, FJ Marlowe, EO Nester y J. Tults demostraron el concepto en 1968 con una LCD de dispersión dinámica de matriz 18x2 que utilizaba MOSFET discretos estándar, ya que el rendimiento de TFT no era adecuado en ese momento. [ 36 ] 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 de transistor de película delgada de CdSe (LCD TFT). [ 32 ] [ 37 ] El grupo de Westinghouse también informó sobre la electroluminiscencia (EL) operativa de TFT en 1973, utilizando CdSe. [ 38 ] 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. [ 35 ] Sin embargo, la producción en masa de este dispositivo nunca se logró, debido a las complicaciones en el control de las propiedades del material de película delgada de semiconductor compuesto y la confiabilidad del dispositivo en grandes áreas. [ 32 ]

Un avance significativo 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 fabricado con a-Si hidrogenado con una capa dieléctrica de puerta de nitruro de silicio . [ 32 ] [ 39 ] Pronto se reconoció que el TFT de a-Si era más adecuado para pantallas LCD AM de gran área. [ 32 ] Esto condujo a la investigación y el desarrollo (I+D) comercial de paneles LCD AM basados ​​en TFT de a-Si en Japón. [ 40 ]

Para 1982, se desarrollaron en Japón televisores de bolsillo basados ​​en tecnología LCD AM. [ 41 ] En 1982, S. Kawai de Fujitsu fabricó una pantalla de matriz de puntos a-Si , y Y. Okubo de Canon fabricó paneles LCD de silicio amorfo nemático (TN) y de anfitrión-huésped . En 1983, K. Suzuki de Toshiba produjo matrices TFT de a-Si compatibles con circuitos integrados (CI) CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) , M. Sugata de Canon fabricó un panel LCD a color de a-Si , y un equipo conjunto de Sanyo y Sanritsu, que incluía a Mitsuhiro Yamasaki, S. Suhibuchi y Y. Sasaki, fabricó un televisor LCD a color de a-Si de 3 pulgadas. [ 40 ]

El primer producto comercial AM LCD basado en TFT fue el Epson ET-10 [ 38 ] ( Epson Elf) de 2,1 pulgadas, el primer televisor de bolsillo LCD a color, lanzado en 1984. [ 45 ] 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. [ 46 ] Un equipo de investigación de Hosiden dirigido por T. Sunata en 1986 utilizó TFT de a-Si para desarrollar un panel AM LCD a color de 7 pulgadas, [ 47 ] y un panel AM LCD de 9 pulgadas. [ 48 ] A finales de la década de 1980, Hosiden suministró paneles LCD TFT monocromáticos a Apple Computer . [ 32 ] En 1988, un equipo de investigación de Sharp liderado por el ingeniero T. Nagayasu utilizó TFT de a-Si hidrogenado para demostrar una pantalla LCD a todo color de 14 pulgadas, [ 35 ] [ 49 ] lo que convenció a la industria electrónica de que la LCD eventualmente reemplazaría al tubo de rayos catódicos (CRT) como la tecnología estándar de visualización de televisión . [ 35 ] Ese mismo año, Sharp lanzó paneles LCD TFT para PC portátiles . [ 38 ] En 1992, Toshiba e IBM Japón presentaron un panel SVGA a color de 12,1 pulgadas para la primera computadora portátil a color comercial de IBM . [ 38 ] 

Los TFT también pueden fabricarse con óxido de indio, galio y zinc ( IGZO ). Los TFT-LCD con transistores IGZO aparecieron por primera vez en 2012 y fueron fabricados inicialmente por Sharp Corporation. El IGZO permite mayores frecuencias de actualización y menor consumo de energía. [ 50 ] [ 51 ] En 2021, se fabricó el primer microprocesador flexible de 32 bits utilizando tecnología TFT IGZO sobre un sustrato de poliimida . [ 52 ]

Véase también

Referencias

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