Durchsichtige Elektronik

Ein neuer Halbleiter aus Indium, Gallium, Zink und Sauerstoff eignet sich hervorragend für transparente Solarzellen oder Displays.

Unsichtbare Solarzellen integriert in Südlagenfenster und durchsichtige Tempoanzeigen in der Windschutzscheibe sind möglich. Galten bisher halbleitende Polymere oder spezielle Siliziumbeschichtungen als ideale Kandidaten für solche, transparente Elektronikanwendungen, fanden japanischen Materialforscher nun eine viel versprechende Alternative mit einer Verbindung aus Indium, Gallium, Zink und Sauerstoff. Aufbauend auf ihren Ergebnissen, die sie in der Fachzeitschrift "Nature" veröffentlichen, rechnen die Wissenschaftler mit höheren Leistungen und günstigen Produktionskosten für flexible und durchsichtige Elektronikbauteile.

Ein flexibler und durchsichtiger Dünnschicht-Transistoren (TFT) auf der Basis des Halbleitermaterials Indiumgalliumzinkoxid. (Quelle: Tokyo Institute of Technology, Yokohama)

"Diese möglichen neuen Geräte sollen flexibel, leicht, stoßfest und bezahlbar sein", sagen Hideo Hosono und seine Kollegen vom Tokyo Institute of Technology in Yokohama. All diese Eigenschaften müssen für große und günstige Flachbildschirme, in Kleidung integrierte Computer und elektronisches Papier erfüllt sein. Mit Halbleitern aus Indiumgalliumzinkoxid wollen die Forscher diesen Herausforderungen begegnen. Über ein Laser-Depositionsverfahren brachten sie das Material auf eine durchsichtige Trägerschicht aus dem preiswerten Kunststoff Polyethylenteraphthalat auf. Durch die geschickte Anordnung der Oxide konnten sie auf einem fingerkuppengroßen Prototyp rund 100 Dünnfilmtransistoren (TFT) unterbringen. Im optischen Wellenlängenbereich werden dabei nur knapp 20 Prozent des einfallenden Lichtes verschluckt. Biegeversuche mit Radien von rund 30 Millimetern überstanden die Schaltkreise ohne Schaden.

Der große Vorteil gegenüber bereits bekannten flexiblen und durchsichtigen Modulen auf der Basis von halbleitenden Polymeren oder hydrogeniertem Silizium besteht in der großen Beweglichkeit der Elektronen. Denn die für Schaltprozesse wichtigen Ladungsträger durchwandern das Material um rund eine Größenordnung besser (6–9 cm ²/Vs). "Diese Eigenschaften für die Ladungsträger sind einzigartig bei den oxidischen Halbleitern", so Hosono. Höhere Transistordichten und schnellere Schaltraten als mit den bisher verwendeten Materialien wären damit möglich.

Ihre ersten Prototypen stellten die Wissenschaftler ohne aufwändige Reinraumbedingungen und normaler Umgebungstemperatur her. Nutzten sie bisher ein für kleine Flächen ausreichendes Laserdepositionsverfahren, könnten sich später großflächige Module auch mit einem speziellen Aufdampfverfahren produzieren lassen. Neben durchsichtigen Anzeigen, die in Windschutzscheiben von Autos eingebaut werden könnten, sehen die Forscher ein großes Anwendungspotenzial für transparente und effiziente Solarzellen, die ohne Beeinträchtigung der Durchsicht auf Fenster aufgebracht würden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Kenji Nomura et al., Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors, Nature 432, 488 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature03090 
• Tokyo Institute of Technology: 
  http://www.titech.ac.jp 
• Arbeitsgruppe Hosono: 
  http://lucid.msl.titech.ac.jp/~www/TopPage-e.html 
• Hintergrund Organische Halbleiter:
  http://www.weltderphysik.de/.../halbleiter/organisch/status/index.html 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Dünnschichttransistoren finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Festkörperphysik.

Weitere Literatur:

• Huitema, H. E. A. et al. Plastic transistors in active-matrix displays. Nature 414, 599 (2001). 
• Kagan, C. R. & Andry, P. (eds) Thin Film Transistors (Marcel Dekker, New York, 2003). 
• Carey, P. G., Smith, P. M., Theiss, S. D. & Wickboldt, P. Polysilicon thin film transistors fabricated on low temperature plastic substrates. J. Vac. Sci. Technol. A 17, 1946–1949 (2000). 
• Shaw, J. M. & Seidler, P. F. Organic electronics: Introduction. IBM J. Res. Dev. 45, 3–9 (2001). 
• Dimitrakopoulos, C. D. & Mascaro, D. J. Organic thin-film transistors: A review of recent advances. IBM J. Res. Dev. 45, 11–27 (2001). 
• Kuo, Y. (ed.) Thin Film Transistors: Materials and Processes (Kluwer Academic, Dordrecht, 2004). 
• Thomas, G. Invisible circuits. Nature 389, 907–908