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Amorphes, polymorphes und mikrokristallines Silizium

PECVD-Anlage

PECVD-Anlage

Der allergrößte Teil der derzeit hergestellten Aktiv-Matrix Flachbildschirme nutzt durch Plasmaprozesse (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) abgeschiedenes amorphes Silizium als Halbleitermaterial für die in jedem Bildpunkt vorhandenen Dünnschichttransistoren. Aufgrund der vergleichsweise kostengünstigen Herstellung und der breiten industriellen Basis wird sich an dieser Vormachtstellung in den nächsten Jahren wohl wenig ändern.

Am Institut für Großflächige Mikroelektronik wurde ein Referenzdisplay auf der Basis von amorphen Silizium entwickelt, das es erlaubt, einzelne Prozessschritte oder Materialien zu verändern und in einem - ansonsten weitgehend dem industriellen Standard entsprechendem - Gesamtsystem zu verifizieren.

TFT-Querschnitt

Querschnitt TG a-Si-TFT

Andere Aspekte der Forschungsarbeit betreffen neuartige Prozesse zur Herstellung der Aktiv-Matrizen, die eine kostengünstigere Fertigung bei ähnlicher oder besserer Qualität der Transistoren erlauben sollen. Als Beispiel sei hier die Entwicklung von Topgate Transistoren genannt, die im Zusammenspiel mit Bildpunkten auf Basis organischer Licht Emittierender Dioden (OLEDs) eine Reduktion der Anzahl der Photolithographieschritte erlaubt. Hierbei macht man sich zu Nutze, dass OLED Displays keine Hintergrundbeleuchtung benötigen, und daher keine Abschirmung der lichtempfindlichen Halbleiterschicht zum Substrat hin notwendig ist.

Eingangskennlinie_aSi_TG_TFT

Eingangskennlinie TGa-Si-TFT

Ausgangskennlinie_aSi_TG_TFT

Ausgangskennlinien TG a-Si-TFT

Topgate-AMOLED

200 dpi Topgate AMOLED mit integriertem Zeilentreiber

Über die Aktiv Matrix hinaus eignet sich amorphes Silizium auch für die Integration von Ansteuerkomponenten direkt auf dem Displayglas. Besonders sind hier integrierte Zeilentreiber zu nennen, die lediglich durch Veränderung der Photolithographiemasken bei ansonsten unveränderter Prozessführung parallel zur Matrix hergestellt werden können. Dadurch können externe Siliziumchips, die andernfalls die Ansteuerung der Zeilen übernehmen würden, eingespart werden.

2-TFT-Pixelschaltung

2-TFT-Pixelschaltung eines OLED Displays

Als Nachteil von amorphem Silizium muss die Tatsache gesehen werden, dass das Material nicht stabil gegenüber Langzeitstress ist. Während dies in Flüssigkristallbildschirmen keine Rolle spielt, da dort die Transistoren lediglich als Schalter eingesetzt werden, die nur kurz leitfähig sein müssen, bevor sie lange entspannen können, spielt diese mangelnde Stabilität in OLED Displays eine größere Rolle. Der Grund liegt darin, dass OLEDs am besten mit einem Konstantstrom betrieben werden, der über einen Dünnschichttransistor eingestellt wird.

Stabilitätsmessung

Stabilitätsmessung an einem TFT

Um die Instabilität und damit Einbrenneffekte zu verhindern, wird am Institut für Großflächige Mikroelektronik an potentiell stabileren Siliziumschichten geforscht. Dabei lassen sich so genanntes polymorphes Silizium bzw. mikrokristallines Silizium in denselben PECVD Anlagen nur durch Variation der Prozessparameter herstellen. Ziel der Forschung ist die Kombination der Vorteile von amorphem Silizium (gute Reproduzierbarkeit, hohe Schaltverhältnisse) mit der elektrischen Stabilität von kristallinem Silizium ohne Erhöhung der Prozesskomplexität.