Durchbruch bei der Oxid-Elektronik

Friedrich-Leonhard Schein, Holger von Wenckstern, Heiko Frenzel und Marius Grundmann von der Universität Leipzig ist es gelungen, den ersten Oxid-Feldeffekttransistor mit pn-Diode als Gate (JFET) herzustellen. Ein Novum im Bereich preisgünstiger, großflächiger Elektronik, etwa bei der Herstellung hochauflösender 3D-Displays. Weltweit versuchten sich jahrelang mehrere Arbeitsgruppen an der Herstellung, bislang ohne Erfolg.

Oxide stellen hochaktuelle Funktionsmaterialien für elektronische Bauelemente dar, insbesondere solche auf Fenstern oder Wänden für Displays oder Photovoltaik. Verglichen mit amorphem Silizium entsteht hier eine größere Beweglichkeit von Ladungsträgern, die etwa die Herstellung von hochauflösenden 3D-Displays mit großer Pixelzahl und hoher Wiederholrate erlaubt. Auch transparente Displays werden mit Oxid-Transistoren möglich, da viele Oxide durchsichtig sind. Die Funktion beruht auf einem Durchbruch bei der Herstellung von bipolaren Oxid-Dioden, das heißt, Dioden, die aus einer Elektronen-leitenden und einer Löcher-leitenden Schicht bestehen.

In den letzten zehn Jahren arbeiteten weltweit viele Arbeitsgruppen intensiv an der Herstellung von bipolaren Oxid-Dioden, doch der Durchbruch ließ auf sich warten. Bisherige Ansätze mit verschiedenen Oxiden ergaben pn-Dioden mit sehr begrenzter Gleichrichtung und einem typischen Verhältnis von Vorwärts- zu Rückwärtsstrom von nur hundert oder tausend. Insbesondere die Probleme bei der p-Dotierung von etablierten Oxiden, wie zum Beispiel Zinkoxid, haben bisher die Entwicklung einer Bipolar-Technologie bei Oxiden verhindert.

Die nun an der Universität Leipzig entwickelte bipolare Oxid-Diode ist eine Heterodiode, das heißt, sie besteht aus verschiedenen Materialien für die n- und p-leitende Schicht. Beide Schichten können so unabhängig voneinander optimiert werden. Die neue Diode besteht aus einer n-leitenden ZnO-Schicht und einer p-leitenden Elektrode aus amorphem Zink-Kobalt-Oxid, die bei Raumtemperatur mittels gepulster Laserabscheidung hergestellt wurde. Die Gleichrichtung der Dioden übersteigt aktuell einen Wert von 10¹⁰ und ist damit viele Größenordnungen besser als alle vorherigen Ansätze.

Das ZCO-Material stellt festkörperphysikalisch zudem eine interessante neue Klasse von oxidischen Löcher-Leitern dar. Es leitet sich aus einem Spinell ab, der als kristalline Dünnschicht bei höheren Wachstumstemperaturen entsteht. Die p-Leitung im ZnCo2O4-Spinell beruht aus theoretischer Sicht auf Co3+-Ionen auf Zn2+-Platz, die Akzeptoren darstellen. Zn-Atome auf dem Co-Untergitter sind dagegen Donatoren, die aber elektrisch nicht zur Geltung kommen, weil das zugehörige elektronische Niveau im Valenzband liegt. Im amorphen Material scheint der gleiche Mechanismus zu wirken, wobei die Unordnung ihn sogar verstärkt, da die p-Leitfähigkeit des amorphen Materials deutlich größer ist als die der kristallinen Proben.

Die hergestellten JFET-Bauelemente zeigen hervorragende Kenndaten und sind zudem sehr stabil. Bedingt durch die bipolare Gate-Elektrode zeigen die JFETs nur sehr geringe Veränderungen der Kennlinie bei Belastung mit Vorspannung (bias stress) und bleiben bis Temperaturen von mindestens 150 Grad Celsius voll operabel.

U. Leipzig / OD