02.04.2024

Silizium-Chips zur Materialcharakterisierung für gedruckte Elektronik

Individuelle Designs erlauben die Messung sowohl halbleitender als auch leitfähiger Materialien.

Wie leistungsfähig sind neue Materialien? Führt eine Änderung der Eigenschaften zu einer besseren Leitfähigkeit? Am Fraunhofer-Institut für photonische Mikrosysteme werden dafür ausgelegte Silizium-Substrate entwickelt und gefertigt. Damit wird die grundlegende elektrische Materialcharakterisierung, wie beispielsweise einer neuartigen Graphen-Emulsion, ermöglicht. Individuelle Designs erlauben die Messung sowohl halbleitender als auch leitfähiger Materialien.

Abb.: OFET-Substrate des Fraunhofer-IPMS im Waffle-Pack.
Abb.: OFET-Substrate des Fraunhofer-IPMS im Waffle-Pack.
Quelle: S. Lassak, Fh.-IPMS

Organische Halbleiter sind Schlüsselkomponenten in der organischen Elektronik und Photovoltaik. Sie werden zur Herstellung flexibler elektronischer Geräte und gedruckter Solarzellen verwenden. Typisch für diese Materialklasse sind Niedertemperaturprozesse und die großflächige Abscheidung und Strukturierung mit verschiedenen Beschichtungs- und Druckverfahren. Die aktiven Halbleitermaterialien bestimmen maßgeblich die Leistung des gesamten Systems. Deshalb ist eine einfach zu handhabende und zuverlässige elektronische Charakterisierung von Leitfähigkeit, Ladungsträgermobilität, Kontaktwiderstand und On-/Off-Stromverhältnis dieser Halbleiter eine wesentliche Voraussetzung für Material- und Prozessentwickler.

Das Fraunhofer-IPMS entwickelt und fertigt Silizium-Substrate mit Einzeltransistorstrukturen in Bottom-Gate-Architektur, welche zur Herstellung organischer Feldeffekttransistoren oder für die Charakterisierung elektrischer Materialkenngrößen von leitfähigen Materialien, etwa für die organische Photovoltaik, genutzt werden.

„Im Bereich Forschung und Entwicklung sind unsere Substrate bei internationalen Forschungseinrichtungen bereits etabliert“, erläutert Projektleiter Thomas Stoppe. „Wir möchten nun verstärkt auf kundenspezifische Lösungen setzen und entwickeln die Technologie kontinuierlich weiter, um auch verstärkt die Anforderungen von Industriepartnern bedienen zu können. Gerade im Bereich der organischen Elektronik existiert ein stark wachsender Markt und unsere Substrate erlauben eine zielgerichtete, einfache und reproduzierbare Messung elektrischer Eigenschaften von Halbleitern und leitenden Materialien.“ Die Möglichkeiten zur Materialcharakterisierung wurden mit jüngsten Ergebnissen, wie der Untersuchung einer kommerziellen Graphen-Emulsion, demonstriert.

Der Zugriff auf die bestehende Mikrosystemtechnologie des Fraunhofer-IPMS bietet entscheidende Vorteile, darunter die hochgenaue und reproduzierbare Herstellung der Chips sowie die flexible Anpassung der Technologie an die individuellen Bedürfnisse der Ziel-Anwendung. So sind unterschiedliche Materialkombinationen und kundenspezifische Anpassungen von Elektrodenstrukturen oder Dielektrikumsdicken möglich. Das erlaubt hochqualitative Gateoxide mit Schichtdicken von 28 bis 320 Nanometern, was in extrem geringen Gate-Leckströmen bis in den unteren pA-Bereich resultiert und so zu hochgenauen Messungen führt. Um Einflüsse des Abscheideprozesses zu untersuchen, sind verschiedene Orientierungen der Transistorstrukturen vorgesehen.

Die Herstellung erfolgt im Reinraum auf Siliziumwafern mit thermischem Siliziumdioxid. Eine patentierte Indium-Zinn-Oxid-Schicht fungiert als Goldhaftschicht, was Zuverlässigkeit, Präzision und Reproduzierbarkeit verbessert und den Einsatz dieser Substrate zur umfänglichen Qualitätssicherung in kleinen und großen Chemieunternehmen ermöglicht.

Fh.-IPMS / RK

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