Gedruckte Elektronik Organic Permeable Base Transistor – vertikal geht‘s besser

Durch veränderter Stromrichtung verbessern gedruckte Transistorenmit organischen Halbleitern ihre Belastbarkeit.
Durch veränderte Stromrichtung verbessern gedruckte Transistoren mit organischen Halbleitern ihre Belastbarkeit.

Gedruckte Transistoren mit organischen Halbleitern liegen bislang bei Strombelastbarkeit und Schaltgeschwindigkeit meilenweit hinter ihren Silizium-Kollegen zurück. Doch sie könnten bald viel besser werden: mit einer Stromrichtung vertikal durch die Schichten – statt bisher horizontal.

Eigentlich ist diese Idee bereits Jahrzehnte alt. Die Entwicklung vom ersten Labormuster bis zu Prototypen mit realen Aussichten auf Massenfertigung hat nur sehr lange gebraucht. Doch jetzt ist endlich Erfolg in Sicht. Der Clou: In vertikaler Richtung lässt sich die Kanallänge um Größenordnungen kürzer ausführen als in horizontaler wie beim lateralen OFET. Sie wird dann nur durch die Dicke einer aufgedampften Schicht bestimmt. Die Druckauflösung in horizontaler Richtung, die bei allen Druckverfahren bei einigen µm ihre untere Grenze hat, spielt dann keine Rolle mehr.

Die Schichtdicken sind mit hoher Präzision bis herab in den nm-Bereich sicher beherrschbar. Entsprechend steigen die nutzbaren Schaltfrequenzen. Damit stoßen nun selbst organische Halbleiter, die im Vergleich zu Silizium eine sehr viel niedrigere Ladungsträgerbeweglichkeit haben, weit in den MHz-Bereich vor. Außerdem kommen bei vertikalem Stromfluss sehr viel größere Leiterquerschnitte zur Wirkung, die hohe Ströme aushalten.

Weltweit sind mittlerweile bei einer ganzen Reihe von Forschergruppen solche vertikalen Transistoren in Untersuchung – in den verschiedensten Varianten. In Deutschland laufen intensive Entwicklungsaktivitäten an der TU Dresden am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP, Leitung Prof. Dr. Karl Leo), eng verbunden mit dem Cluster »Organic Electronic Saxony«.

Transistor besteht aus fünf Schichten

Das Bild zeigt einen Querschnitt durch die dort entwickelte Struktur, in diesem Fall ein n-Typ. Der Aufbau besteht im Wesentlichen aus fünf Schichten. Auf dem Substrat liegt zuunterst eine Metallschicht als Zuleitung (50 nm Aluminium, 20 nm Gold), darüber eine 100 nm dünne Halbleiterschicht aus undotiertem Fulleren (C60), darauf eine mit 2 nm Oxid überzogene Aluminiumschicht 15 nm, eine weitere 100 nm dünne Schicht undotiertes Fulleren und schließlich oben wieder eine Au/Al-Metallschicht als Zuleitung.

In einigen Varianten sind zwischen den kontaktierenden Metallschichten und die C60-Schicht noch dünne Lagen aus n-dotiertem C60 eingefügt, um die Injektion der Ladungsträger zu verbessern. Weil keine Sperrschichten enthalten sind, fließen nur Majoritätsträger – beim n-Typ Elektronen, beim p-Typ Löcher. Letzterer ist im Prinzip genauso aufgebaut, nur dass ein p-leitender Halbleiter Einsatz findet; z. B. Pentacen, ein Molekül aus fünf Benzolringen.

Das ganze Gebilde besteht sozusagen aus zwei gegeneinander geschalteten Schottky-Dioden. Es hat eine gewisse Ähnlichkeit mit einem Bipolartransistor, weshalb die Elektroden ebenfalls Emitter, Basis und Kollektor genannt werden. Wegen des symmetrischen Aufbaus sind Emitter und Kollektor vertauschbar, sie ergeben sich erst aus den angelegten Spannungen.

Die extrem dünne Basisschicht ist mit zahllosen Öffnungen – jeweils mit Durchmesser von einigen nm – versehen, durch die die Elektronen (bzw. die Löcher) hindurch fließen; deshalb wählte man auch die Bezeichnung »Organic Permeable Base Transistor« (OPBT). Dass sie in die Aluminiumschicht eintreten, ist durch die Oxidschicht auf dieser weitestgehend verhindert. Ähnlich wie beim Bipolartransistor, gehen die Ladungsträger, die in die eine Diode fließen, durch die Basisschicht hindurch und treten in die andere über. So entsteht der Transistoreffekt, der sich zur Stromverstärkung nutzen lässt.

Über die an der Basis liegende Spannung (relevanter Bereich: etwa 0 – 1 V) lässt sich der Strom durch Kollektor und Emitter innerhalb sehr weiter Grenzen steuern. Das erreichbare Ein-/Aus-Verhältnis liegt bei 108. Zu unterscheiden sind dabei drei Bereiche:

  • exponentieller Bereich, wenn der Strom durch das Öffnungspotenzial bestimmt wird,
  • Übergangsbereich,
  • Sättigungsbereich, wo nur der Transport im Halbleiter den Strom begrenzt.

Wegen unvermeidlicher Basis-Leckströme (im Bereich von nA; in realen Schaltungen im Allgemeinen vernachlässigbar) ist der Eingangswiderstand nicht so hoch wie bei MOSFETs. Real liegt er in der Größenordnung 12 MΩ. Je kleiner die Zahl der Ladungsträger ist, die in die Basis fließen, desto mehr Ladungsträger können den Kollektor erreichen und umso höher wird die Verstärkung.

Stromdichten bis 1 kA/cm² sind machbar

Lagen die typischen Stromdichten von organisch-elektronischen Bauelementen bisher eher im Bereich mA/cm² bis A/cm², so erreichen sie hier – jedenfalls im Prinzip – 1 kA/cm² oder mehr, zu¬mindest im gepulsten Betrieb. Das hat erhebliche praktische Bedeutung; beispielsweise für die Treibertransistoren von OLED-Displays, die auf möglichst kleiner Fläche möglichst viel Strom schalten sollen. Ein Transistor mit einer aktiven Fläche von 200 × 200 µm² verkraftet kurzzeitig bis 400 mA; auch seine Zuleitungen machen das mit.

Die Dresdner Forscher haben OPBTs in vielen verschiedenen Größen hergestellt, mit aktiven Flächen zwischen etwa 0,04 mm² und 6,25 mm². Der maximale Dauerstrom wird eher durch die Temperaturfestigkeit des Substrats begrenzt als durch das Halbleitermaterial – bei üblichen Folien liegt die Grenze bei etwa 100 °C, in speziellen Fällen bei 150 °C.

Bei optimiertem Aufbau erreicht ein solcher OPBT Transitfrequenzen bis 40 MHz; eine Steigerung bis auf 100 MHz erscheint noch möglich; selbst mit Materialien mit niedriger Ladungsträger-Beweglichkeit. So hat C60 eine Beweglichkeit von 0,06 cm²/Vs, und liegt damit um Größenordnungen unter der von Silizium.

Der n-Typ liegt bezüglich seiner Kenndaten vorn, der p-Typ hinkt bei Verstärkung und Stromdichte noch weit hinterher. Ziel ist es, seine Eigenschaften so weit wie möglich an die des n-Typs anzugleichen, um damit Komplementärschaltungen – analog zu CMOS – aufbauen zu können. Solche laufen gerade erst im Labormaßstab. Der p-Typ braucht dazu noch eine größere Fläche als der n-Typ.

Die Herstellung von OPBTs ist vergleichsweise einfach. Sie ähnelt der von OLEDs, bei denen man die Schichten im Hochvakuum aufdampft. Für die Zukunft ist auch angedacht, OPBTs unter normaler Luft mittels Druckverfahren herzustellen. Da keine hohen Temperaturen erforderlich sind, kommen als Substrate auch flexible Folien in Betracht. Auf großen Flächen lassen sich viele Transistoren parallel herstellen.

Im Gegensatz zum OFET braucht der OPBT keine extrem feine laterale Strukturierung, um gute Eigenschaften zu erreichen. Wegen der Gesamtschichtdicke von nur wenigen 100 nm ist der Materialverbrauch minimal. Der Schichtaufbau erlaubt auch eine vertikale Stapelung, etwa OPBT und OLED übereinander; solche dreidimensionalen Strukturen können auf dem Substrat Platz sparen.

Der derzeitige Entwicklungsstand reicht schon deutlich über die reine Grundlagenforschung hinaus; die Forscher suchen jetzt nach Anwendern in der Industrie: AMOLEDs, Speicher, schnelle elektrische Signalverstärker, RFID, Treiber für OLEDs und Displays. Institutsleiter Prof. Leo: »Vertikale organische Transistoren bieten schon heute eine Perspektive für OLED-Displays mit sehr hohen Stromdichten. In einigen Jahren könnten diese Bauelemente die Grundlage für leistungsfähige elektronische Schaltungen auf flexiblen Substraten sein.«