TFTとは？――ディスプレイの各画素を制御する薄膜トランジスタ

まず結論

TFTはThin-Film Transistorの略で、GlassやFlexible基板上へ薄膜材料を積み重ねて作るトランジスタです。Displayでは各SubpixelのSwitchまたは電流制御素子として働きます。

シリコンウェハ内へ作るMOSFETと基本概念は似ていますが、大面積基板上へ比較的低温で均一に作る点が大きく異なります。

基本構造

TFTはGate電極、Gate絶縁膜、半導体膜、Source・Drain電極から構成されます。Gate電圧で半導体膜内のChannelを作り、SourceとDrainの間の電流を制御します。

Gateが半導体膜の下にあるBottom-Gate、上にあるTop-Gateなど複数構造があります。光、寄生容量、工程数、材料耐熱性を考えて選びます。

LCDでの役割

TFTをオンしてData線の電圧をPixel電極へ書き込み、オフした後はStorage Capacitorと液晶容量で電圧を保持します。次の書換えまで電圧が保たれることで、画面を安定表示します。

OLEDでの役割

OLEDでは発光素子へ流す電流が明るさを決めます。Switch用TFTだけでなく、電流を制御する駆動TFTや補償回路を各Subpixelへ配置します。

代表的なTFT材料

材料・方式	主な特徴	用途例
a-Si	大面積均一性と量産実績	大型LCD
LTPS	高い移動度、回路集積	Mobile、高精細Display
Oxide	低いOff電流、比較的高い移動度	高精細LCD、OLED

a-Siは移動度が低い一方、大面積で均一に作りやすい特徴があります。LTPSは高性能ですが、Laser Annealの均一性などが重要です。Oxide TFTはIGZOなどが代表的で、低周波駆動による省電力化にも使われます。

a-Si・LTPS・IGZOの膜構成

3方式はGate、Gate絶縁膜、活性層、Source・Drainという基本要素を共有しますが、活性層の材料だけでなく、Gateの位置や活性層を保護する膜、電極を接続する方法も異なります。

• a-Si TFT：Glass上のGate、Gate絶縁膜、a-Si活性層、低抵抗のn⁺ a-Si接触層、Source・Drainを積む逆Stagger型が代表例です。
• LTPS TFT：Buffer膜上のPoly-SiをChannel・Source領域・Drain領域に作り分け、その上へGate絶縁膜とGateを置くTop-Gate型が代表例です。Source・Drain電極は層間絶縁膜のContact Holeを通してPoly-Siへ接続します。
• IGZO TFT：Gate絶縁膜上へIGZO活性層を形成します。図はSource・Drain加工時のChannel損傷を抑えるEtch Stop膜を持つ構造ですが、Etch Stop膜を省くBCE（Back Channel Etch）型やTop-Gate型もあります。

したがって、「a-Si、LTPS、IGZO」は主として活性層材料・方式の分類であり、図の形が一種類に固定される名称ではありません。製造工程を読むときは、材料名と合わせてBottom Gate／Top Gate、Staggered／Coplanar、Etch Stop／BCEなどの構造名も確認します。

TFT性能で見る項目

• Field-Effect Mobility
• Threshold Voltage
• On/Off比
• Off電流
• Subthreshold特性
• Bias・光・温度に対する安定性
• 基板面内ばらつき

個々のTFTが動くだけでなく、数百万以上のSubpixelで特性を揃える必要があります。

半導体MOSFETとの違い

IC用MOSFETは高品質な単結晶Siを使い、非常に微細です。TFTはGlass等の上へ薄膜半導体を形成し、画素Pitchに合わせた比較的大きな素子を広い面積へ作ります。

「Transistorである」という原理は共通しても、材料、寸法、温度制約、装置、評価指標が異なります。

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