OLEDs auf CMOS-Chips

In CMOS-Technik lassen sich komplette Systeme aus Sensoren, analogen und digitalen Schaltungen auf einem Chip realisieren. Nur bei Leuchtdioden gelingt dies noch nicht. Diese Lücke könnten organische LEDs schließen, die nach dem CMOS-Prozess auf den Wafer abgeschieden werden.

In CMOS-Technik lassen sich komplette Systeme aus Sensoren, analogen und digitalen Schaltungen auf einem Chip realisieren. Nur bei Leuchtdioden gelingt dies noch nicht. Diese Lücke könnten organische LEDs schließen, die nach dem CMOS-Prozess auf den Wafer abgeschieden werden.

Mit lichtstarken, nach oben abstrahlenden OLEDs, die sich mit Spannungen < 5 V betreiben lassen, könnten auf Si-CMOS-Schaltungen organische optoelektronische Mikrosysteme realisiert werden.

Den Forschern des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS, www.ipms.fhg.de) in Dresden ist es gelungen, erste OLED-Mikrodisplays auf CMOS-kompatiblen Si-Wafern herzustellen und damit zu zeigen, wie organische und siliziumbasierte Elektronik miteinander kombiniert werden können. Auf der obersten Metallisierungsschicht der Wafer, die zugleich als untere OLED-Elektrode dient, haben sie organische Leuchtdioden aufgebracht (Bild 1). Der OLED-Fertigungsprozess schließt sich an die klassische CMOS-Fertigung an. Der Wafer muss nicht zurück in die Halbleiterfertigung.

Für den Einsatz auf CMOS-Chips eignen sich nach oben abstrahlende OLED-Strukturen mit hoher Effizienz, deren Schichten als n-i-p oder p-i-n übereinander angeordnet sind. In der n-i-p-Anordnung (Bild 2) wurde die Aluminium-Metallisierung geglättet.

Der OLED-Schichtaufbau mit dotierten Transportschichten wird von einer dünnen Silberschicht als Anode abgedeckt. Diese Anordnung für eine grüne OLED erreicht mit ITO-Elektroden (ITO: Indium-Tin-Oxide, Indium- Zinnoxid) normalerweise eine Leuchtdichte von 100 cd/m2. Die n-i-p-OLED mit Aluminiumkatode auf dem CMOSChip erreicht diesen Wert jedoch erst bei 8,5 V. Der Grund für die höhere Spannung könnte die natürliche Aluminiumoxidschicht sein, die den Elektronenfluss von der Katode in die Elektronentransportschicht behindert.

Um die Oxidation des Aluminiums zu verhindern, haben die Fraunhofer-Forscher die Aluminiumoberfläche mit Titannitrit (TiN) beschichtet (Bild 2). Die TiNSchicht darf einerseits nicht zu dick sein, um die hohe Reflexion des Aluminiums als untere OLED-Elektrode zu erhalten, muss aber andererseits dick genug sein, um die Oxidation zu unterbinden. Auch sollte die TiNOberfläche nicht zu einer höheren Rauheit führen und die OLED-Schichten kurzschließen. Der so präparierte CMOS-Chip wurde mit OLEDs in den Farben Grün, Rot, Orange, Weiß und Blau in p-i-n-Anordnung versehen. Im Gegensatz zum ersten Versuch mit einer Al2O3-Elektrode wurde für die Transportschicht n-dotiertes Material von Novaled (www.novaled.com) eingesetzt und die Elektrode (Katode) auf der Oberfläche mit Ytterbium (Yb) statt mit Silber ausgeführt. Um eine Leuchtdichte von 100 cd/m2 zu erreichen, genügte der roten OLED bereits eine Spannung von 2,4 V. Die orangefarbene OLED begnügte sich mit 2,5 V und die weiße OLED benötigte 3,2 V – deutlich weniger als mit Aluminiumkatode. Mit diesen drei Farben konnte sogar eine Leuchtdichte von 1000 cd/m2 mit Spannungen unter 5 V erreicht werden.

In weiteren Arbeiten sollen nun mehrfarbige OLEDs auf einem OLEDASIC integriert werden. Für die Signalverarbeitung sollen auch anorganische optische Elemente (zum Beispiel Photodioden) auf dem gleichen Chip integriert werden. Die bisher einzeln ausgeführte Verkapselung der OLED auf dem ASIC ist bei einer Massenproduktion nicht mehr praktikabel. Hierzu müssen neue Konzepte für eine Verkapselung auf Waferebene entwickelt werden.

Harry Schubert

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