OLED on CMOS Optoelektronische Bauelemente mit integriertem Lichtemitter

Die OLED-on-CMOS-Technologie bietet erstmals die Möglichkeit, eine hocheffiziente und stabile Lichtquelle in Silizium zu integrieren; sie lässt sich vorteilhaft mit integrierter CMOS-Sensorik und -Elektronik kombinieren. Methode, Technologie, Charakteristika und Applikationen werden vorgestellt und insbesondere Anwendungen in Opto-Sensorik und Mikro-Displays adressiert.

Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik auf der Basis von Silizium sind in den letzten Jahrzehnten zu einem wesentlichen Motor bei der Entwicklung neuer Consumer- und Industrieprodukte geworden. Hochintegrierte analoge und digitale CMOS-Schaltungstechnik sowie Sensoren haben inzwischen zu komplexen und, wegen ihrer Programmierbarkeit, universellen »System on Chip« (SoC) geführt. Die Kombination von integrierter Signalerfassung und -verarbeitung bei CMOS-Fotodetektoren hat zudem einen erheblichen Aufschwung der Optoelektronik bewirkt (z.B. der CMOS-Imager). Doch gerade hier gibt es nach wie vor eine Anwendung, die für die Silizium-Technologie nicht erreichbar ist: die effiziente Lichterzeugung. Dies liegt am indirekten Bandübergang des Siliziums.

In der weltweiten Forschung wurden unterschiedliche Ansätze zur Lösung dieses Problems verfolgt, wobei häufig auf die optische Kommunikation gezielt wurde, um höchste Datenübertragungsraten und kurze Schaltzeiten zu erzielen und neue kohärente Quellen zu realisieren. Bisher sind Effizienz oder/und Lebensdauer dieser Systeme nicht ausreichend, oder sie sind nur bei hohen Spannungen zu betreiben. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Anwendungen, in denen es vor allem auf eine strom- und leistungseffiziente Generation von monochromem bzw. Mischlicht mit Schaltzeiten im μs-Bereich und hoher Lebensdauer ankommt. Hierzu zählen etwa Displays und optische Sensoren.

Eine Möglichkeit zur Integration einer Lichtquelle in Si-CMOS stellt die hybride Integration einer effizienten Lichtquelle dar. Dies kann mittels Bonden von anorganischen LED-Chips auf bzw. neben Si-CMOS-Chips geschehen. Hier stellt allerdings der Aufwand für die Aufbau- und Verbindungstechnik einen erheblichen Kostenfaktor dar und birgt zusätzliche Risiken hinsichtlich Zuverlässigkeit. Insbesondere für Volumenprodukte sowie besten Formfaktor ist daher eine monolithische Integration vorzuziehen. Für anorganische LEDs (III-V-Halbleiter) ist das aufgrund der verschiedenen Substratmaterialien bislang ausgeschlossen. Eine Alternative bieten organische LEDs (OLED), die bei der Wafer-Verarbeitung als post-processing auf Silizium-CMOS-Chips aufgebracht werden.

OLED-Herstellung

Organische Leuchtdioden haben sich seit einigen Jahren als Bauelemente für selbst-emittierende, kleinformatige Displays in mobilen Anwendungen etabliert. Bislang sind dies vorwiegend Passiv-Matrix-Displays in MP3-Spielern oder Sub-Displays für Handys, künftig verstärkt Aktiv-Matrix-Displays in Mobiltelefon/Smartphone-Main-Displays, als »Viewfinder« in digitalen Kameras oder in Fernsehern. Weitere Anwendungen bei der Beleuchtung (Lighting) und elektronischen Beschilderung (Signage) kündigen sich an. Diesen gemeinsam ist die Integration der OLED auf ein Glas-Substrat, durch das auch das Licht abgestrahlt wird (Bottom Emitter, Bild 1).

Auf das Substrat werden nach einer transparenten Elektrode die organischen Schichten abgeschieden. Diese bestehen entweder aus »kleinen Molekülen« (Oligomere mit einem л-Elektronen-System) und werden aus der Dampfphase aufgebracht (Vakuum-Verdampfung) oder aus langkettigen Polymeren, abgeschieden aus der Flüssigphase (Spin-on oder Ink Jet).

Insbesondere bei der Verdampfung kann die Abscheidung vorteilhaft auf sehr große Flächen erfolgen. Die organischen Schichten sind extrem dünn (ca. 100 nm) und erlauben somit Displays mit deutlich verringerter Einbautiefe gegenüber LCDs. Prinzipiell sind nach Wahl des Emittermaterials beliebige Farben einschließlich Weiß möglich. Halbwertsbreiten typischer monochromer OLED-Emitter (bottom) liegen zwischen 70 und 100 nm. Die Abstrahlcharakteristik ist nahezu winkelunabhängig (Lambert-Strahler); demzufolge lassen sich die Displays über einen weiten Winkelbereich kontrastreich ablesen.

Für die Integration auf Si-Wafer muss die OLED wegen des für Licht nicht durchlässigen Silizium-Substrats als »Top Emitter« arbeiten (Bild 1). Hierdurch ergeben sich leicht veränderte Eigenschaften der OLED: Unter anderem sinkt die Halbwertsbreite auf etwa 50 bis 70 nm, zudem verengt sich der Abstrahlwinkel (Microcavity-Effekt).

Auf dem Silizium-Chip wird die untere Elektrode der OLED nunmehr aus dem obersten Metall des CMOS-Layouts gebildet. Ausschließlich Prozessschritte und Anlagen aus dem Standard-CMOS von Silicon Foundries können verwendet werden, allerdings ist derzeit noch eine Abscheidung des CMOS-Top-Metalls unter angepassten Prozessparametern erforderlich.

Entsprechend verlassen die Wafer nach der Strukturierung des Top-Metalls den CMOS-Prozess und werden zum »Post Processing« in den OLED-Prozess transferiert. Dort werden die organischen OLED-Schichten und eine anorganische, transparente Top-Elektrode aufgebracht. Wesentliche maschinelle Grundlage dafür ist eine OLED-Cluster-Anlage von Sunic System[1], die 6-Zoll- und 8-Zoll-Si-Wafer verarbeiten kann sowie sieben Prozesskammern mit zwölf organischen, fünf anorganischen und zwei PVD-Quellen aufweist. Hinsichtlich des im CMOS benutzten Technologieniveaus bestehen keine Einschränkungen.

Durch die Verbindung von OLED mit CMOS-Schaltungstechnik können ihre Vorteile wie Leuchtdichte, Effizienz, niedrige Betriebsspannung, spektrale Charakteristik (VIS/NIR) neben der herkömmlichen Anwendung in kleinen und mittelgroßen Displays ganz neue Anwendungen bedienen. Dies ergibt sich aus den Möglichkeiten der integrierten CMOS-Schaltungstechnik, bei denen verschiedene Sensoren, wie z.B. Fotodetektoren, mittels »OLED on CMOS«-Technologie erstmals durch effiziente und stabile Licht-Emitter auf dem CMOS-Chip ergänzt werden können. Dabei lässt sich der Licht-Emitter platzsparend über der CMOS-Elektronik anordnen – benötigt also keine zusätzliche Chipfläche.

Aus dieser Kombination entstehen neue Bauelemente, z.B. OLED-Mikro-Displays auf CMOS mit integriertem Bildempfänger oder optoelektronische Sensoren mit integrierter Lichtquelle. Das Fraunhofer IPMS[2] hat verschiedene Demonstratoren vorgestellt, die mit Foundry-CMOS-Prozessen in den Technologieniveaus 2,0 μm, 1,0 μm, 0,6 μm, 0,35 μm und 0,18 μm realisiert werden können.

Für OLED-Stacks und -Materialien besteht ein Nutzungsrecht durch die IPMS-Ausgründung Novaled[3] für F&E sowie Pilotproduktion mit Option auf Lizenzierung für Volumenproduktion. Novaled ist mit seiner PIN-OLED-Technologie ein weltweit führender Anbieter von OLED-Stack-Systemen und OLED-Materialien. (Bild 2)