ترانزیستور فیلم‌نازک اکسید

نمودار برش-عرضی ترانزیستور فیلم نازک اُکسید فلزی معمولی. در این مورد، «اُکسید» به فیلم نیم‌رسانا بین الکترودهای سورس و درین اشاره دارد.

ترانزیستور فیلم‌نازکِ اُکسید (اُکسید تی‌اِف‌تی‌) (به انگلیسی: oxide thin-film transistor) (کوته‌نوشت: TFT) یا ترانزیستور فیلم نازک اُکسید فلزی نوعی ترانزیستور فیلم نازک است که نیم‌رسانا در آن یک ترکیب اُکسید فلزی است. ترانزیستور فیلم نازک اُکسید با ترانزیستور اثر میدانی اُکسید-فلز (ماسفت) که در آن کلمه «اُکسید» به دی‌الکتریک گیت عایق (معمولاً دی‌اُکسید سیلیکون) اشاره دارد، متفاوت است. در یک ترانزیستور فیلم نازک اُکسید، کلمه اُکسید به نیم‌رسانا اشاره دارد. ترانزیستورهای فیلم نازک اُکسید به عنوان تقویت‌کننده برای راه‌اندازی جریان به گسیل‌گرها در پنل‌های پشتی نمایشگرها کاربرد دارند.

تاریخچه

اولین ترانزیستور با استفاده از اُکسید فلزی به‌عنوان نیم‌رسانا در سال ۱۹۶۴ توسط کلاسنس و کولمانز در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی فیلیپس گزارش شد.^[۱] با این حال، تی‌اِف‌تی‌های اُکسیدی به ندرت برای چندین دهه پس از این مورد توجه قرار گرفتند. تا اوایل دهه ۲۰۰۰، هیدئو هوسونو، که در حال مطالعه اُکسیدهای رسانای شفاف بود،^[۲] کشف کرد که اُکسی‌سولفیدها^[۳] و اُکسید روی گالیوم ایندیوم^[۴]^[۵] می‌توانند به عنوان نیم‌رسانا در تی‌اِف‌تی‌ها استفاده شوند. کمی پس از آن، جان واگر در دانشگاه ایالتی اورگن تی‌اِف‌تی‌های اُکسیدی را گزارش کرد که از اُکسید دوتایی اُکسید روی به عنوان نیم‌رسانا استفاده می‌کنند.^[۶]

ویژگی‌ها

اُکسیدها چندین ویژگی دارند که آنها را نسبت به سیلیکون آمورف هیدروژنه (a-Si:H) که فناوری رایج تی‌اِف‌تی در اوایل دهه ۲۰۰۰ بود، مطلوب‌تر می‌کند.^[۷] اولاً، تحرک‌پذیری الکترون در تی‌اِف‌تی‌های اُکسیدی تقریباً ۱۰۰ برابر بیشتر است.^[۸] از آنجا که جریان سورس-درین در ترانزیستورها به صورت خطی با تحرک‌پذیری الکترون متناسب است،^[۹] خواص تقویت‌سازی نیز همین‌طور است. نتیجه این است که می‌توان از ترانزیستورهای کوچکتر برای ارائه همان جریان استفاده کرد. در یک صفحه نمایش، این به این معنی است که وضوح و سرعت سوئیچینگ (سرعت قطعُوصل) بالاتر امکان‌پذیر است.

a-Si:H علاوه بر این، از مشکلاتی در پایداری محیطی، مانند اثر استابلر-رونسکی، رنج می‌برد.^[۱۰] از آنجایی که اُکسیدها از قبل اُکسیده شده‌اند، عموماً از نظر محیطی پایدارتر هستند، با این حال، پدیده‌ای به نام تنش روشنایی بایاس منفی (NBIS) را تجربه می‌کنند که در آن ولتاژ آستانه تحت تابش ثابت تغییر می‌کند.^[۱۱]

بیشتر تی‌اِف‌تی‌های اُکسید نوع-n (انتقال‌دهنده الکترون) از نیم‌رساناهایی استفاده می‌کنند که شکاف‌باند پهنی دارند؛ عموماً بزرگتر از ۳ الکترون‌ولت. به همین دلیل، برای استفاده در الکترونیک کاملاً شفاف جذاب هستند. شکاف‌باند پهن آنها همچنین به این معنی است که جریان خاموشی پایینی دارند و از این رو نسبت روشن/خاموش بالایی دارند؛ یک ویژگی مطلوب برای حالت‌های روشن و خاموش کاملاً تعریف‌شده.

یکی از معایب قابل‌توجه اُکسید تی‌اِف‌تی‌ها این است که تعداد بسیار کمی نیم‌رسانا اُکسید فلز نوع-p (انتقال‌دهنده حفره) وجود دارد.^[۱۲] اگرچه هنگام تقویت گسیلنده‌ها مشکل قابل‌توجهی نیست، اما این بدان معناست که نیم‌رساناهای اُکسیدی برای منطق مکمل و در نتیجه پردازش اطلاعات کمتر مناسب هستند.

رشد

نیم‌رساناهای اُکسید فلز معمولاً با استفاده از کندوپاش، یک فنون رشد مبتنی بر خلاء که منجر به یک لایه اریخت یا چندبلوری می‌شود، لایه‌نشانی می‌شوند. اُکسیدها همچنین می‌توانند از محلول، همچون میان‌راه پوشش-چرخشی یا پوشش اسپری، لایه‌نشانی شوند.^[۱۳]

استفاده تجاری

چندین شرکت، اُکسید تی‌اِف‌تی‌ها را به عنوان پلتفرمی برای راه‌اندازهای نمایشگر پذیرفته‌اند. به ویژه شارپ در سال ۲۰۱۲،^[۱۴] و اپل در سال ۲۰۱۳.^[۱۵]

منابع

↑ Klasens, H.A.; Koelmans, H. (1964-09-01). "A tin oxide field-effect transistor". Solid-State Electronics (in English). 7 (9): 701–702. Bibcode:1964SSEle...7..701K. doi:10.1016/0038-1101(64)90057-7. ISSN 0038-1101.
↑ Hosono, Hideo; Yasukawa, Masahiro; Kawazoe, Hiroshi (1996-08-01). "Novel oxide amorphous semiconductors: transparent conducting amorphous oxides". Journal of Non-Crystalline Solids (in English). 203: 334–344. Bibcode:1996JNCS..203..334H. doi:10.1016/0022-3093(96)00367-5. ISSN 0022-3093.
↑ Ueda, K.; Inoue, S.; Hirose, S.; Kawazoe, H.; Hosono, H. (2000-10-16). "Transparent p-type semiconductor: LaCuOS layered oxysulfide". Applied Physics Letters. 77 (17): 2701–2703. Bibcode:2000ApPhL..77.2701U. doi:10.1063/1.1319507. ISSN 0003-6951.
↑ Nomura, Kenji; Ohta, Hiromichi; Ueda, Kazushige; Kamiya, Toshio; Hirano, Masahiro; Hosono, Hideo (2003-05-23). "Thin-Film Transistor Fabricated in Single-Crystalline Transparent Oxide Semiconductor". Science (in English). 300 (5623): 1269–1272. Bibcode:2003Sci...300.1269N. doi:10.1126/science.1083212. ISSN 0036-8075. PMID 12764192.
↑ Hosono, Hideo (July 2018). "How we made the IGZO transistor". Nature Electronics (in English). 1 (7): 428. doi:10.1038/s41928-018-0106-0. ISSN 2520-1131.
↑ Hoffman, R. L.; Norris, B. J.; Wager, J. F. (2003-01-28). "ZnO-based transparent thin-film transistors". Applied Physics Letters. 82 (5): 733–735. Bibcode:2003ApPhL..82..733H. doi:10.1063/1.1542677. ISSN 0003-6951.
↑ Brotherton, S. D. (2013). Introduction to Thin Film Transistors: Physics and Technology of TFTs (in English). Springer International Publishing. ISBN 978-3-319-00001-5.
↑ Kamiya, Toshio; Nomura, Kenji; Hosono, Hideo (2010-02-01). "Present status of amorphous In–Ga–Zn–O thin-film transistors". Science and Technology of Advanced Materials. 11 (4). doi:10.1088/1468-6996/11/4/044305. ISSN 1468-6996. PMC 5090337. PMID 27877346.
↑ Sze, S.M.; Ng, Kwok K. (2006-04-10). Physics of Semiconductor Devices (in English). doi:10.1002/0470068329. ISBN 978-0-470-06832-8.
↑ Staebler, D. L.; Wronski, C. R. (1977-08-15). "Reversible conductivity changes in discharge‐produced amorphous Si". Applied Physics Letters. 31 (4): 292–294. Bibcode:1977ApPhL..31..292S. doi:10.1063/1.89674. ISSN 0003-6951.
↑ Nomura, Kenji; Kamiya, Toshio; Hosono, Hideo (2010). "Interface and bulk effects for bias—light-illumination instability in amorphous-In—Ga—Zn—O thin-film transistors". Journal of the Society for Information Display (in English). 18 (10): 789–795. doi:10.1889/JSID18.10.789. ISSN 1938-3657.
↑ Wang, Zhenwei; Nayak, Pradipta K.; Caraveo-Frescas, Jesus A.; Alshareef, Husam N. (2016). "Recent Developments in p-Type Oxide Semiconductor Materials and Devices". Advanced Materials (in English). 28 (20): 3831–3892. doi:10.1002/adma.201503080. ISSN 1521-4095. PMID 26879813. {{cite journal}}: |hdl-access= نیاز به |hdl= دارد (کمک)
↑ Thomas, Stuart R.; Pattanasattayavong, Pichaya; Anthopoulos, Thomas D. (2013-07-22). "Solution-processable metal oxide semiconductors for thin-film transistor applications". Chemical Society Reviews (in English). 42 (16): 6910–6923. doi:10.1039/C3CS35402D. ISSN 1460-4744. PMID 23770615.
↑ "Sharp begins to produce Oxide TFT (IGZO) based LCDs | OLED-Info". www.oled-info.com. Retrieved 2021-08-27.
↑ "IGZO display tech finally makes it to mass market: iPad Air now, high-res desktop display soon - ExtremeTech". www.extremetech.com. Retrieved 2021-08-27.

[1] Klasens, H.A.; Koelmans, H. (1964-09-01). "A tin oxide field-effect transistor". Solid-State Electronics (in English). 7 (9): 701–702. Bibcode:1964SSEle...7..701K. doi:10.1016/0038-1101(64)90057-7. ISSN 0038-1101.

[2] Hosono, Hideo; Yasukawa, Masahiro; Kawazoe, Hiroshi (1996-08-01). "Novel oxide amorphous semiconductors: transparent conducting amorphous oxides". Journal of Non-Crystalline Solids (in English). 203: 334–344. Bibcode:1996JNCS..203..334H. doi:10.1016/0022-3093(96)00367-5. ISSN 0022-3093.

[3] Ueda, K.; Inoue, S.; Hirose, S.; Kawazoe, H.; Hosono, H. (2000-10-16). "Transparent p-type semiconductor: LaCuOS layered oxysulfide". Applied Physics Letters. 77 (17): 2701–2703. Bibcode:2000ApPhL..77.2701U. doi:10.1063/1.1319507. ISSN 0003-6951.

[4] Nomura, Kenji; Ohta, Hiromichi; Ueda, Kazushige; Kamiya, Toshio; Hirano, Masahiro; Hosono, Hideo (2003-05-23). "Thin-Film Transistor Fabricated in Single-Crystalline Transparent Oxide Semiconductor". Science (in English). 300 (5623): 1269–1272. Bibcode:2003Sci...300.1269N. doi:10.1126/science.1083212. ISSN 0036-8075. PMID 12764192.

[5] Hosono, Hideo (July 2018). "How we made the IGZO transistor". Nature Electronics (in English). 1 (7): 428. doi:10.1038/s41928-018-0106-0. ISSN 2520-1131.

[6] Hoffman, R. L.; Norris, B. J.; Wager, J. F. (2003-01-28). "ZnO-based transparent thin-film transistors". Applied Physics Letters. 82 (5): 733–735. Bibcode:2003ApPhL..82..733H. doi:10.1063/1.1542677. ISSN 0003-6951.

[7] Brotherton, S. D. (2013). Introduction to Thin Film Transistors: Physics and Technology of TFTs (in English). Springer International Publishing. ISBN 978-3-319-00001-5.

[8] Kamiya, Toshio; Nomura, Kenji; Hosono, Hideo (2010-02-01). "Present status of amorphous In–Ga–Zn–O thin-film transistors". Science and Technology of Advanced Materials. 11 (4). doi:10.1088/1468-6996/11/4/044305. ISSN 1468-6996. PMC 5090337. PMID 27877346.

[9] Sze, S.M.; Ng, Kwok K. (2006-04-10). Physics of Semiconductor Devices (in English). doi:10.1002/0470068329. ISBN 978-0-470-06832-8.

[10] Staebler, D. L.; Wronski, C. R. (1977-08-15). "Reversible conductivity changes in discharge‐produced amorphous Si". Applied Physics Letters. 31 (4): 292–294. Bibcode:1977ApPhL..31..292S. doi:10.1063/1.89674. ISSN 0003-6951.

[11] Nomura, Kenji; Kamiya, Toshio; Hosono, Hideo (2010). "Interface and bulk effects for bias—light-illumination instability in amorphous-In—Ga—Zn—O thin-film transistors". Journal of the Society for Information Display (in English). 18 (10): 789–795. doi:10.1889/JSID18.10.789. ISSN 1938-3657.

[12] Wang, Zhenwei; Nayak, Pradipta K.; Caraveo-Frescas, Jesus A.; Alshareef, Husam N. (2016). "Recent Developments in p-Type Oxide Semiconductor Materials and Devices". Advanced Materials (in English). 28 (20): 3831–3892. doi:10.1002/adma.201503080. ISSN 1521-4095. PMID 26879813. {{cite journal}}: |hdl-access= نیاز به |hdl= دارد (کمک)

[13] Thomas, Stuart R.; Pattanasattayavong, Pichaya; Anthopoulos, Thomas D. (2013-07-22). "Solution-processable metal oxide semiconductors for thin-film transistor applications". Chemical Society Reviews (in English). 42 (16): 6910–6923. doi:10.1039/C3CS35402D. ISSN 1460-4744. PMID 23770615.

[14] "Sharp begins to produce Oxide TFT (IGZO) based LCDs | OLED-Info". www.oled-info.com. Retrieved 2021-08-27.

[15] "IGZO display tech finally makes it to mass market: iPad Air now, high-res desktop display soon - ExtremeTech". www.extremetech.com. Retrieved 2021-08-27.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]

[۱۰]

[۱۱]

[۱۲]

[۱۳]

[۱۴]

[۱۵]