薄膜トランジスタ

薄膜トランジスタ（TFT）

薄膜トランジスタ（TFT）は、電界効果トランジスタ（FET）の一形式であり、主に液晶ディスプレイ（LCD）で使用されます。TFTは一般に三端子素子であり、特にバックゲート端子を持たない点が特徴です。最初に半導体活性層として変更されたセレン化カドミウム（CdSe）が1949年に開発され、1973年にはLCDの駆動に向けた応用が報告されました。これに加えて、シリコン（Si）を用いたTFTも広く研究されており、特にアモルファス膜と多結晶膜が重要視されています。アモルファスSiは1979年に英国で初めて製造され、その後、日本での研究が活発化しました。現在、TFTはカラーTFT LCDとして多くのPC、携帯電話、情報端末、携帯ゲーム機などで使用されており、日常生活で広く浸透していますが、コストが高いのが課題です。

特徴と分類

TFTは、ゲート電極の配置や層の構成によって主に4種類に大別されます：

1. スタガード型
2. インバーテッド・スタガード型
3. コープレーナー型
4. インバーテッド・コープレーナー型

スタガード型は、ドレイン電極とソース電極がチャネル層を挟んでゲート電極の対向側に配置されています。また、コープレーナー型はこれらがゲート電極と同じ側に配置されています。インバーテッド型（ボトムゲート型とも呼称）では、ゲート電極がチャネル層の下にあります。

TFTは通常のMOSFETとは異なり、印加されたゲート電圧により蓄積層（accumulation layer）を形成し、コンダクタンスを調整します。この点が、MOSFETが反転層（inversion layer）を用いてコンダクタンスを調整する方法と異なるところです。さらに、n型キャリアは電子、p型キャリアはホールとして機能し、ソースおよびドレイン電極周辺ではpn接合を形成しないため、チャネル層の性質によってはp型・n型の両タイプの特徴を持つアンバイポーラ（ambipolar）として機能することもあります。

薄膜トランジスタの「薄膜」という名称は、トランジスタを構成する半導体層やゲート絶縁膜などが、真空蒸着やスパッタリング、化学気相成長法などによってガラスまたは石英の基板上に薄膜として形成されることに由来しています。最近では、プラスチック基板を使用する研究も進められています。TFTは反転層を形成しないため、スレッショルド電圧がMOSFETのそれとは異なり、具体的にはMOSFETのスレッショルド電圧は強反転層形成を示すのに対し、TFTにはそのような概念が存在しません。しかし、基本的な原理や公式はMOSFETと同様に適用されます。ただし、バックゲート電極が存在しないため、基板バイアス効果によるしきい値電圧の変動には制約があります。

現在の薄膜トランジスタの使用状況

現在、広く用いられているTFTは、水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）がチャネル層に用いられていますが、時間経過や温度、ゲート電圧の変動によってスレッショルド電圧が不安定になる問題が存在します。この不安定性は、主にバンドギャップ内に位置する不安定ステート、絶縁層内、そして界面ステートに蓄積された電子によって引き起こされます。製造業者の中には、特定の条件下で電圧を印加し熱処理を行うことで、電子の不安定な状態を安定に修正する方法を採用しているところもあります。また、a-Si:H以外の多様な材料を使用したTFTの開発も進んでおり、特に酸化物半導体を利用した透明薄膜トランジスタや、有機半導体を用いた有機薄膜トランジスタの研究が活発に行われています。

TFD液晶

薄膜ダイオード（TFD）技術を利用した液晶ディスプレイは、TFT液晶にダイオードを組み合わせたもので、特に2001年から2004年にかけて多くの携帯電話のカラー液晶に採用されました。TFD液晶は消費電力や生産コストにおいてメリットがありますが、発色や輝度には若干の劣位があります。最近では、CrystalFine液晶と呼ばれる技術で発色やコントラストの向上を目指す取り組みもあります。

その他の応用

TFTは液晶ディスプレイ以外でも利用され、特にコンピュータ用のX線撮影装置において、フラットパネルディテクターとして使用されています。これにより、医療や研究分野においても重要な役割を果たしています。

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