Gedruckte Elektronik - biegsam und vielseitig

Gedruckte Elektronik – biegsam und vielseitig

Zwei neue Stempeltechniken ermöglichen flexible Schaltungen, die mit herkömmlicher Technologie so nicht herzustellen wären.

Will man elektronische Schaltungen auf eine großflächige und flexible Unterlage bringen, so sind die lithographischen Methoden der herkömmlichen Halbleitertechnologie dafür kaum geeignet. Stattdessen kann man Schaltungen auch als dünne amorphe Schichten aus halbleitenden Polymeren direkt auf die Unterlage aufdrucken. Allerdings sind die elektrischen Eigenschaften dieser Schichten längst nicht so gut wie die von kristallinem Halbleitermaterial. Zwei neue Stempeltechniken schaffen hier Abhilfe. Bei der einen wird die Unterlage an bestimmten Stellen so präpariert, dass dort winzige Halbleiterkristalle wachsen und ihre Aufgabe in einer Schaltung erfüllen können. Bei der anderen Technik wird kristallines Halbleitermaterial direkt auf die Unterlage gestempelt.

Zhenan Bao und ihre Mitarbeiter von der Stanford University benutzten Stempel aus Polydimethylsiloxan, deren Relief quadratische Erhebungen von 5×5 µm ², 25×25 µm ² oder 50×50 µm ² aufwiesen. Mit diesen Stempeln wurden saubere Oberflächen aus Siliziumdioxid (auf einer Siliziumunterlage) oder flexiblem Polyimid mit einer Schicht aus Octadecyltriethoxysilan (OTS) bedruckt, die eine Dicke von etwa 10 nm hatte. Die quadratischen, von der OTS-Schicht bedeckten Stellen waren rauer als die unbedruckten Teile der Oberfläche. Anschließend wurde die Oberfläche mit unterschiedlichen organischen Halbleitersubstanzen bedampft: mit den p-Halbleitern Rubren, Pentacen und Tetracen oder n-Halbleitern wie C ₆₀ oder Tetracyanoquinodimethan.

Die Rauigkeit der gestempelten Flächen erleichterte es dem aufgedampften Halbleiter, Kristallkeime zu bilden, die zu mikrometergroßen Einkristallen heranwuchsen. Auf den ungestempelten Bereichen der Oberfläche trat hingegen kein Kristallwachstum auf. Aufgrund ihrer Qualität und Größe ließen sich diese Kristalle für Feldeffekttransistoren nutzen. Dazu versahen die Stanford-Forscher die Siliziumdioxidoberfläche mit zahllosen Goldelektroden, die paarweise, durch einen schmalen nichtleitenden Kanal getrennt, nebeneinander lagen und die Source- bzw. Drain-Elektrode eines Transistors bildeten. Anschließend wurde die Oberfläche so gestempelt, dass jeweils benachbarte Elektroden durch einen quadratischen OTS-Fleck verbunden wurden. Auf diesem Fleck wuchs dann ein Halbleitereinkristall, der das Gate des Transistors bildete.

Da die heranwachsenden Kristalle den OTS-Film beiseite schoben, hatten sie guten Kontakt mit den Goldelektroden. Es zeigte sich, dass an 99 % der Kristalle ein Feldeffekt beobachtet werden konnte: Der Strom zwischen den Goldelektroden ließ sich durch die am Halbleiterkristall anliegende Gate-Spannung steuern. Auf diese Weise konnten die Forscher eine große Anzahl von funktionierenden organischen Feldeffekttransistoren parallel herstellen – auch auf flexiblem Material. Die Transistoren funktionierten auch dann noch, wenn die Unterlage so stark gebogen wurde, dass ihr Krümmungsradius 6 mm betrug. Zhenan Bao und ihre Kollegen arbeiten jetzt an der Verbesserung ihres Verfahrens. Zum einen müssen die Einkristalle, die bisher noch mit unterschiedlicher Orientierung wachsen, einheitlich ausgerichtet sein, um den Transistoren optimale Eigenschaften zu geben. Zum anderen muss der Kontakt der Kristalle mit den Elektroden bzw. der Siliziumdioxidoberfläche verbessert werden.

Einen ganz anderen Weg, die guten Eigenschaften kristalliner Halbleiter auf flexiblen Unterlagen zu nutzen, hat die Gruppe von John A. Rogers an der University of Illinois, Urbana-Champaign eingeschlagen. Sie stellten zunächst ein ganzes Arsenal von Halbleiternanostrukturen her, die sie auf unterschiedlichen Oberflächen wachsen ließen. Dazu gehörten einwandige Kohlenstoffnanoröhren, einkristalline Nanodrähte oder -bänder aus Galliumnitrid, Galliumarsenid oder Silizium. Mit einem geeignet strukturierten elastischen Stempel aus Polydimethylsiloxan wurden diese Halbleitermaterialien von ihrer Unterlage abgehoben und anschließend auf eine flexible Polyimidschicht gedruckt, die zuvor mit einer dünnen Schicht eines flüssigen Präpolymers bedeckt worden war. An dieser Schicht blieben die Nanoröhren, -drähte oder -bänder hängen, wenn der Stempel wieder abgehoben wurde. Bedeckte man die bedruckte Oberfläche erneut mit einer Präpolymerschicht, so konnte man sie ein weiteres Mal bedrucken.

Auf diese Weise bauten die Forscher Schritt für Schritt mehrlagige Halbleiterstrukturen auf, die sie mit Goldelektroden kontaktierten. Zu den hergestellten Strukturen gehörten Anordnungen von HEMTs (High Electron Mobility Transitor) aus Galliumnitridstäben, MOSFETs aus Siliziumbändern und Dünnschichttransistoren aus Kohlenstoffnanoröhrenschichten. Diese Bauelemente behielten ihre guten Eigenschaften auch dann noch, wenn die Polyimidschicht, auf der der sie saßen, erheblich verbogen wurde. Krümmungsradien von weniger als 4 mm und bis zu 2000-mal wiederholte Verbiegung überstanden sie ohne nennenswerte Einbußen. Für ihre integrierten gedruckten Schaltungen auf flexibler Unterlage sehen die Forscher zahllose Anwendungen z. B. in Detektoren und Sensoren, in denen herkömmliche Halbleitermaterialien mit neuen und ungewöhnlichen Substanzen kombiniert werden können.

Rainer Scharf

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen:
  Alejandro L. Briseno et al.: Patterning organic single-crystal transistor arrays. Nature 444, 913 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05427
  Jong-Hyun Ahn et al.: Heterogeneous Three-Dimensional Electronics by Use of Printed Semiconductor Nanomaterials. Science 314, 1754 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1132394
• Homepage von Zhenan Bao:
  http://chemeng.stanford.edu/01About_the_Department/03Faculty/Bao/bao.html
• Gruppe von John A. Rogers:
  http://rogers.mse.uiuc.edu/

Weitere Literatur:

• L. Briseno et al.: High-Performance Organic Single-Crystal Transistors on Flexible Substrates. Adv. Mater. 18, 2320 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1002/adma.200600634
• M. A. Meitl et al.: Transfer Printing by Kinetic Control of Adhesion to an Elastomeric Stamp. Nature Materials 5, 33 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nmat1532
  http://rogers.mse.uiuc.edu/files/2006/nmat1532.pdf (frei!)
• J.-H. Ahn et al.: High Speed, Mechanically Flexible Single-Crystal Silicon Thin-Film Transistors on Plastic Substrates. IEEE Electron Device Letters 27, 460 (2006).
  http://rogers.mse.uiuc.edu/files/2006/ieeeedl.pdf (frei!)