Transistor de película delgada
Dispositivo transistor de efecto de campo

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, en el que el material semiconductor suele ser el sustrato, como una oblea de silicio . [1] La aplicación tradicional de los TFT es en las pantallas de cristal líquido TFT .

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 de dispositivo a dispositivo encontradas 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 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 cuatro estructuras comunes de transistores de película delgada

Debido a que los TFT se cultivan en sustratos inertes, en lugar de obleas, el semiconductor debe depositarse en un proceso específico. Se utilizan diversas técnicas para depositar semiconductores en TFT. Estas incluyen la deposición química en fase 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 una electrónica mecánicamente flexible y de bajo costo [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 de materiales electrónicos tradicionales [ 16] .

Algunos semiconductores de banda ancha, los más notables 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] Tales TFT transparentes (TTFT) podrían usarse para permitir pantallas de visualización frontal (como en el parabrisas de un automóvil). Los primeros TTFT procesados ​​en solución, basados ​​en óxido de zinc , fueron informados en 2003 por investigadores de la Universidad Estatal de Oregón . [19] El laboratorio portugués CENIMAT en la Universidade Nova de Lisboa ha producido el primer TFT completamente transparente del mundo a temperatura ambiente. [20] CENIMAT también desarrolló el primer transistor de papel, [21] que puede conducir a aplicaciones como revistas y páginas de revistas con imágenes en movimiento.

Muchas pantallas AMOLED utilizan transistores TFT LTPO ( óxido y silicio policristalino de baja temperatura ). Estos transistores ofrecen estabilidad a bajas frecuencias de actualización 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 suelen utilizar transistores TFT AOS (semiconductor de óxido amorfo), también llamados TFT de óxido [25] y estos suelen estar basados ​​en IGZO. [26]

Aplicaciones

La aplicación más conocida de los transistores de película fina es en las pantallas 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 [actualizar], muchos televisores y monitores LCD en color utilizan esta tecnología. Los paneles TFT se utilizan con frecuencia 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 [actualizar], 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 orgánicos emisores de luz individuales .

El aspecto más beneficioso de la tecnología TFT es el uso de un transistor independiente para cada píxel de la pantalla. Como cada transistor es pequeño, la cantidad de carga necesaria para controlarlo también es pequeña. Esto permite rediseñar la pantalla con gran rapidez.

Estructura de una matriz de visualización 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 compuerta. 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 masivo estándar. 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) 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 LCD de dispersión dinámica de matriz de 18x2 que usaba 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 una TFT de CdSe (seleniuro de cadmio), que usaron para demostrar la primera pantalla de cristal líquido con transistor de película delgada de CdSe (TFT LCD). [31] [36] El grupo de Westinghouse también informó sobre electroluminiscencia (EL) TFT operacional en 1973, usando CdSe. [37] Brody y Fang-Chen Luo demostraron la primera pantalla de cristal líquido de matriz activa plana (AM LCD) usando 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 la confiabilidad del dispositivo en áreas grandes. [31]

Un gran avance en la investigación de TFT llegó 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 compuerta de nitruro de silicio . [31] [38] El TFT a-Si pronto fue reconocido como más adecuado para una pantalla LCD AM de área grande. [31] Esto condujo a la investigación y desarrollo comercial (I+D) de paneles LCD AM basados ​​en TFT a-Si en Japón. [39]

En 1982, se desarrollaron en Japón televisores de bolsillo basados ​​en la 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 a-Si de nemático trenzado (TN) y de host invitado . En 1983, K. Suzuki de Toshiba produjo matrices TFT a-Si compatibles con circuitos integrados (CI) CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario) , M. Sugata de Canon fabricó un panel LCD a color a-Si , y un equipo conjunto de Sanyo y Sanritsu que incluía a Mitsuhiro Yamasaki, S. Suhibuchi e Y. Sasaki fabricó un televisor LCD a color a-SI de 3 pulgadas. [39]

El primer producto comercial LCD AM basado en TFT fue el Epson [41] [42] [43] ET-10 [37] de 2,1 pulgadas (Epson Elf), el primer televisor de bolsillo LCD en color, lanzado en 1984. [44] 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 de 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 TFTs a-Si hidrogenados para demostrar una pantalla LCD a todo color de 14 pulgadas, [34] [48] lo que convenció a la industria electrónica de que la LCD eventualmente reemplazaría al tubo de rayos catódicos (CRT) como la tecnología de pantalla de televisión estándar . [34] El mismo año, Sharp lanzó paneles LCD TFT para computadoras portátiles . [37] En 1992, Toshiba e IBM Japón introdujeron un panel SVGA a color de 12,1 pulgadas para la primera computadora portátil a color comercial de IBM . [37]

Las pantallas TFT también pueden fabricarse con óxido de indio, galio y zinc ( IGZO ). Las pantallas TFT-LCD con transistores IGZO aparecieron por primera vez en 2012 y fueron fabricadas 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 TFT IGZO sobre un sustrato de poliimida . [51]

Véase también

Referencias

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