06.04.2006

Silizium aus der Druckerdüse

Japanische Forscher haben erstmals dünne Filme aus kristallinem Silizium im Sprühverfahren erzeugt.


Silizium aus der Druckerdüse

Japanischen Forschern ist es erstmalig gelungen, dünne Filme aus kristallinem Silizium im Sprühverfahren zu erzeugen. Bei dem Verfahren sprühten die Wissenschaftler das Silizium in einer speziellen Lösung entweder aus der Düse eines Tintenstrahldruckers auf das Trägermaterial oder sie verteilten die Siliziumlösung durch Rotation auf dem Träger. Die Qualität des so erzeugten Siliziumfilms sei ausreichend für viele elektronische Anwendungen, berichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe von „Nature“.

„Die Fähigkeit, Halbleiter mittels flüssiger Stoffe zu drucken, ist für viel künftige Anwendungen von Bedeutung, etwa für große flexible Displays“, heben Tatsuya Shimoda und sein Team vom Technologie-Forschungszentrum des Seiko-Epson-Konzerns, sowie den Elektronik-Forschungslabors des Unternehmens JSR hervor. Außerdem könnte das neue Verfahren generell die Herstellung von Elektronik verbilligen.

Abb.: Rastertunnelmikroskopische Aufnahme eines im Sprühverfahren erzeugten dünnen Siliziumfilms. (Quelle: Shimoda et al.)

Denn heute ist die Herstellung von Mikroelektronik ein teurer High-Tech-Prozess mit hohem Energieverbrauch. Die Produktionseinrichtungen mit ihren Reinräumen ähneln Hochsicherheitslabors, in denen mit hochgefährlichen Bakterien hantiert wird. Die dünnen Schichten aus Silizium und anderen Halbleitern müssen in einem hochreinen Vakuum aufgedampft werden - schon die kleinste Verunreinigung ruiniert die winzigen Schaltungen.

Dem setzen Shimoda und sein Team nun ein Verfahren entgegen, das ohne Hochvakuum, hohe Temperaturen und ultrareine Umgebungen auskommt. Für ihre Methode nutzen die Forscher ein spezielles Polysilan. In diesem Stoff bildet das Silizium Kettenmoleküle, an deren Enden jeweils Wasserstoffatome sitzen. Bei der Herstellung des Polysilans gehen Shimoda und seine Kollegen von Cyclopentasilan aus, in dem jeweils fünf Siliziumatome ein Ringmolekül bilden. Setzt man Cyclopentasilan ultravioletter Strahlung aus, so brechen die Ringe auseinander und verbinden sich zu den längeren Ketten des Polysilans. Diesen Stoff verdünnten die Forscher dann in dem organischen Lösungsmittel Toluen.

Aufgesprüht auf die Trägeroberfläche aus Siliziumdioxid und anschließend bei einer Temperatur von 500 Grad Celsius „gebacken“ entsteht ein polykristalliner Siliziumfilm - also ein Mosaik aus vielen Silizium-Mikrokristallen. Die elektrischen Eigenschaften des so hergestellten Siliziumsfilms sind vergleichbar zu herkömmlich produzierten polykristallinem Silizium, zeigen die Messungen von Shimoda und seinem Team.

In den vergangenen Jahren wurden in den Forschungslabors der Welt viele Versuche unternommen, elektronische Materialien aus flüssigen Substanzen zu produzieren, insbesondere auf der Basis organischer Halbleiter. Doch bislang ist unklar, ob Schaltkreise aus organischen Halbleitern eine ähnliche Zuverlässigkeit wie siliziumbasierte Schaltkreise erreichen können. Als weitere Alternative werden in jüngster Zeit Halbleiter aus Metallchalcogeniden untersucht. „Doch wenn sich qualitativ hochwertige Filme aus Silizium aus einer Lösung herstellen lassen, ändert das die Situation entscheidend“, meinen Shimoda und seine Mitarbeiter. Denn Silizium ist ein bewährtes Material, mit dem man in der Elektronikindustrie jahrzehntelange Erfahrung besitzt.

Das Fernziel von Shimoda und seinem Team ist die komplette Produktion mikroelektronischer Schaltungen aus Transistoren im Sprühverfahren. Alle Schichten der Transistoren müssen dabei mit Hilfe unterschiedlicher Flüssigkeiten erzeugt werden. Gegenwärtig suchen die Forscher daher nach geeigneten Flüssigkeiten für dielektrische Schichten, metallische Elektroden, sowie für n- und p-dotiertes Silizium

Rainer Kayser

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

  • P. Peumans et al., Efficient bulk heterojunction photovoltaic cells using small-molecular-weight organic thin films, Nature 425, 158 (2003). 
  • S. Okamura, Poly-Si thin-film transistors using polysilazane-based spin-on glass for all dielectric layers, 2004 SID International Symposium Digest of Technical Papers 964 (Society for Information Display, San Jose, 2004). 
  • Afzali, High-performance, solutionprocessed organic thin film transistors from a novel pentacene precursor, J. Am. Chem. Soc. 124, 8812 (2002).

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