Thin-film transistor

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Représentations symboliques du TFT à canal N et à canal P

Thin-film transistor, communément nommé TFT, est un type de transistor à effet de champ dit « transistor couches minces » car ce composant est formé par le dépôt successif de plusieurs couches minces (quelques centaines de nanomètres). Celles-ci sont principalement des diélectriques, un semiconducteur (souvent du silicium) et des couches métalliques pour constituer les contacts. Le TFT se distingue ainsi du transistor MOSFET par la nature de son canal de conduction et par sa technique de fabrication qui permet de l'intégrer sur différents types de supports.

Dans le domaine industriel les TFT sont actuellement très utilisés pour fabriquer l'électronique d'affichage (circuits pixels ou de commande) des écrans plats à matrice active à base de cristaux liquides (AMLCD) ou de diodes organiques électroluminescentes (AMOLED). Sur ces écrans chaque pixel intègre un circuit composé d'un ou plusieurs TFT. Le TFT a une fonction d'interrupteur (cas en AMLCD) ou de source de courant (cas en AMOLED). Pour réaliser ces circuits il existe deux technologies de fabrication des TFT : l'une qui utilise du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H TFT) et l'autre du silicium polycristallin (poly-Si TFT).

Bref historique

C'est dans les années 1960 que débute véritablement l'histoire du TFT avec la configuration qu'on lui connaît aujourd'hui. P.K Weimer des laboratoires RCA présente dès 1962 un TFT réalisé sur verre à partir d'une couche polycristalline de sulfure de cadmium (CdS)^[1]. Les performances de ces TFT sont encourageantes. Cependant dans ces années les TFT sont en forte concurrence avec les MOSFET à base de monocristal de silicium pour la réalisation de circuits intégrés. La première matrice active LCD, composée de TFT en CdSe est néanmoins proposée par T. P. Brody en 1973^[2]. Mais il faut attendre le début des années 1980 pour voir apparaître les premiers TFT réalisés en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H TFT)^[3] et la fin de la décennie pour le début de la production en masse d'afficheurs LCD fabriqués à partir de ce matériau. Les progrès réalisés dans les années 1990 sur les procédés de fabrication ont été considérables notamment sur les techniques de dopage des couches minces, les méthodes de dépôt des couches ou l'optimisation de l'architecture des TFT et ont permis de réduire de façon significative le prix de ces écrans. Sur la période d'octobre 2000 à octobre 2002 par exemple le prix d'une écran LCD de 18" a été divisé par 2,5^[4]. La technologie LCD a rapidement monopolisé le domaine des écrans de faibles dimensions puis le marché des écrans d'ordinateurs portables. Les progrès technologiques ont permis de développer progressivement la dimension des écrans et d'atteindre le marché de la télévision grand public.

Principe de fonctionnement

La structure d'un TFT réalisé sur un substrat en verre est proche de celle d'un MOSFET sur isolant, la conduction s'effectue dans la couche mince dite active entre la source et le drain dont la conductivité est modulée par la grille.

Conception et procédés de réalisations

Principales architectures

Il existe essentiellement deux architectures du TFT l'une dite à grille basse ("Bottom-gate") et l'autre à grille-haute ("Top-gate"), c'est le cas des TFT en polysilicium^[5].

TFT en silicium amorphe hydrogéné

Le procédé de fabrication des TFT en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H TFT) se caractérise globalement par l'alternance d'étapes de dépôts de couches minces et d'étapes de photolithographie^[6].

TFT en silicium polycristallin

Intérêts des TFT

Les principaux avantages des TFT :

• Fabrication à basse température. Ces transistors peuvent être fabriqués à basses températures (< 600 °C). Ils sont donc compatibles avec des substrats comme le verre qui est très employé pour réaliser des écrans plats. Des techniques expérimentales évaluent aussi la possibilité de former des TFT sur des supports souples.
• Les couches minces sont déposées. Le fait de pouvoir déposer le silicium, élément fondamental du transistor, ouvre la possibilité de fabriquer des TFT sur de grandes surfaces, une capacité de production à haut débit et à un coût compatible avec la fabrication d'applications grand public. Certains écrans LCD commercialisés atteignent aisément 107 cm de diagonale^[7]
• Les performances électriques sont satisfaisantes. Les caractéristiques de ces transistors permettent de contrôler efficacement les circuits pixels et pour certains TFT (poly-Si TFT) de constituer l'électronique de commande^[8].

Domaines d'applications

Le principale domaine d'intégration du TFT est actuellement celui de l'affichage et notamment l'application des écrans plats. Les deux plus importants secteurs qui implémentent ces transistors sont :

• Les écrans plats associés aux technologies LCD, OLED ou à encre électronique.
• L'imagerie médicale est probablement le deuxième plus important secteur d'activité^[4]. En effet les afficheurs de type AMFPI (Active-matrix Flat Panel Imagers) intègrent des convertisseurs à rayons X utilisant des TFT^[9],[10].

Une activité importante est aussi menée dans le domaine de la recherche et couvre des applications diverses. Une recherche intensive est notamment menée sur la mise au point d'une électronique flexible c'est-à-dire l'intégration de composants sur des supports souples (plastiques, feuille métallique ...). La recherche s'intéresse aussi aux TFT employés comme capteur. Cela peut être un capteur chimique pour la détection d'éléments dans des environnements liquides ou gazeux ou bien des capteurs d'empreintes digitales.

Références

1. ↑ (en) P.K. Weimer, « The TFT A New Thin-Film Transistor », dans Proceedings of the IRE, 1962, p. 1462-1469
   Weimer réalise un TFT en CdS à grille-haute sur substrat de verre
    
2. ↑ (en) T.P. Brody, « A 6 × 6 inch 20 lines-per-inch liquid-crystal display panel », dans IEEE Trans. on Electron Devices, Nov. 1973, p. 995
   Brody réalise la première AMLCD composée de TFT en CdSe en 1973
    
3. ↑ (en) P. G. LeComber, « Amorphous-silicon field-effect device and possible application », dans IEEE Electronics Letters, 1979, p. 179
   LeComber et Spears fabriquent le premier a-Si:H TFT
    
4. ↑ ^{a et b} Yue Kuo, Thin film transistors: materials and processes. Vol. 1, Amorphous silicon thin film transistors, Kluwer academic publ., 2004, p511 (ISBN 1-4020-7505-7)
5. ↑ Principales architectures des TFT
6. ↑ Principales étapes de fabrication d'un pixel LCD (Samsung)
7. ↑ Dimensions des dalles de verre des écrans LCD chez le fabricant Samsung
8. ↑ Exemple d'intégration du polysilicium chez le fabricant Philips LCD
9. ↑ J. Anthony Seibert, utilisation de TFT dans des applications radiographiques, « Digital radiography: The bottom line comparison of CR and DR technology. »
10. ↑ Direct vs. Indirect Conversion of electronic X-ray detectors (AGFA)

Annexes

Bibliographie

• (en) Yue Kuo, Thin film transistors: materials and processes. Vol. 1, Amorphous silicon thin film transistors, États-Unis, Kluwer Academic Publishers, 2004, 511 p. (ISBN 1-4020-7504-9).
  Partiellement disponible en ligne ici.
   
• (en) Yue Kuo, Thin Film Transistors : Materials and Processes. Vol. 2, Polycrystalline silicon thin film transistors, États-Unis, Kluwer Academic Publishers, 1 edition (September 1, 2003), 2004, 505 p. (ISBN 1-4020-7506-5).
  Partiellement disponible en ligne ici.
   
• (en) Cherie R. Kagan et Paul Andry, Thin-Film Transistors, USA, Cherie R. Kagan, Paul Andry, 2003, 624 p. (ISBN 0-8247-0959-4).
  Partiellement disponible en ligne ici.
   

Voir aussi

Articles connexes

• Écran à cristaux liquides
• AMOLED

Liens externes