Dünne Kristallfilme aus organischen Halbleitern

Tintenstrahl-Technik für günstige, gedruckte und leistungsfähige Schaltkreise.

Gedruckte Schaltkreise aus organischen Halbleitern können günstig für einfache Anwendungen wie beispielsweise Funkchips gefertigt werden. Mit einer Tintenstrahl-Technik gelang es nun japanischen Wissenschaftlern, gedruckte und flexible Schaltkreise noch leistungsfähiger zu machen. Sie entwickelten eine Methode, mit der halbleitende Kristallfilme auf einer Oberfläche gezielt wachsen und für Transistoren genutzt werden können.

„Diese Drucktechnik ist ein bedeutender Schritt hin zu leistungsfähigen kristallinen Halbleiter-Modulen für großflächige und flexible elektronische Anwendungen“, berichten Hiromi Minemawari und seine Kollegen vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Tsukuba. Sie setzten zwei Tintenstrahldüsen, die etwa 500 winzige Tropfen pro Sekunde verspritzen können, parallel nebeneinander. In einem ersten Fertigungsschritt benetzten sie eine isolierende Schicht aus Siliziumdioxid mit flüssigem Dimethylformamid. Unmittelbar darauf folgten Tröpfchen aus der zweiten Düse, in der zuvor ein organischer Halbleiter (C8-BTBT) in Dichlorbenzol aufgelöst worden war.

Da der Halbleiter in der ersten Flüssigkeit nicht löslich ist, setzte an der Grenzfläche zur Luft ein Kristallisationsprozess ein. Mit der Verdunstung der Flüssigkeit bildeten sich dünne monokristalline Kristallfilme aus dem organischen Halbleiter. Analysen mit einem Atomkraftmikroskop zeigten, dass sich so mehrere 30 bis 200 Nanometer dünne Kristallschichten in Stufen übereinander lagerten. Nachdem alle Lösungsmittel verdampft waren, erhielten die Forscher ein Areal aus 140 exakt angeordneten Halbleiter-Segmenten.

Aus diesen Halbleiter-Rohlingen fertigten Minemawari und seine Kollegen nun mit Source- und Drain-Elektroden aus Gold einzelne Transistoren. Messungen bei Raumtemperatur belegten, dass die Kristallfilme die elektronischen Eigenschaften deutlich verbesserten. Die Elektronen zeigten eine mittlere Beweglichkeit von 16,4 Quadratzentimeter pro Volt und Sekunde und Spitzenwerte von über 30 cm²/Vs. "Dieses Verhalten ist weitaus besser als bei früheren Studien für den organischen Halbleiter C8-BTBT", schreiben die Forscher.

Gedruckte Elektronik hat ein großes Potenzial beispielsweise für kleine Funkchips oder für Anwendungen in intelligenter Kleidung. Sie lässt sich sehr viel günstiger fertigen als klassische CMOS-Siliziumchips und kann auch auf biegsamen Trägermaterialien deponiert werden. Allerdings müsste noch die Stabilität der Kristallfilme für flexible Transistor-Module überprüft werden.

Jan Oliver Löfken

MH