Plastik-Elektronik Neuer organischer FET bleibt stabil

Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung flexibler elektronischer Schaltungen mit organischen Grundsubstanzen ist die Realisierung eines Transistors, der so stabil ist, dass er nicht nur bei den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen funktioniert, sondern auch seine elektronischen Parameter einhält.

Ein Forschungsteam am Georgia Institut of Technology hat eine Konfiguration entwickelt, in der ein organischer Top-Gate-O-FET (Organic Field Effect Transistor) stabil arbeitet, und in der die Stromtragfähigkeit nicht eingeschränkt ist. Ein weiterer Vorteil des neuen O-FETs besteht darin, das er in normaler Atmosphäre als Massenware produziert werden kann. Dabei bleiben die Prozesstemperaturen so niedrig, dass sie die Funktion der übrigen Plastik-Bau- und Strukturelemente der Schaltung nicht beeinträchtigen.

Der Idee der Forschungsgruppe besteht darin, den O-FET mit einer Gate-Isolierung aus zwei Schichten auszuführen. Die Isolierung besteht aus einer  CYTOP-Schicht, ein amorphes Fluoropolymer, auf die mit dem Verfahren der "Atomic Layer Deposition" (ALD) eine Metalloxid-Schicht abgeschieden wird, die eine hohe Dielektrizitätskonstante (High-K) aufweist. Für sich verwendet, weisen beide Schichten erhebliche Nachteile auf. So ist CYTOP zwar dafür bekannt, dass es an der Grenzschicht zu einem organischen Halbleiter nur wenige Defekte ausbildet, aber wegen der niedrigen Dielektrizitätskonstante eine entsprechend höhere Gate-Spannung erforderlich ist. Das High-K-Metalloxid wiederum, mit dem der O-FET mit einer weitaus niedrigeren Steuerspannung betrieben werden kann, bildet an der Grenzschicht sehr viel mehr Defekte aus.

Das Beste aus zwei Welten

Die Kombination dieser beiden Schichten erwies sich nun bei den Versuchen der Forschungsgruppe als vorteilhaft: Die Vorteile der beiden Substanzen -- geringe Defekte und hohe Dielektrizitätskonstante -- blieben erhalten, gleichzeitig erwies sich die Doppelschicht als ungemein stabil. Der Leiter der Forschungsgruppe, Professor Bernard Kippelen, war von dem Ergebnis überrascht: "Ich war immer der Meinung, dass FETs nicht der normalen Atmosphäre ausgesetzt werden dürften und dass immer eine Barriereschicht erforderlich wäre, um das Bauteil vor Feuchtigkeit und Sauerstoff zu schützen." Die mit der neuen Gate-Isolation hergestellten O-FETs zeigten sich den verschiedensten Test gegenüber unempfindlich, lediglich das Eintauchen in Aceton führte zu einer Degradation.

Die Parameter des O-FETs sind mit denen von FETs aus amorphem Silizium vergleichbar, aber sie können bei Temperaturen unter 150 °C und damit unter den Bedingungen produziert werden, die in der Kunststoff-Fertigung üblich sind. Die Anwendungen des neuen Transistors liegen dort, wo auf einem flexiblen Substrat eine stabile Stromversorgung erforderlich ist: RFID-Etiketten, Kunststoff-Solar-Zellen oder OLEDs auf SmartCards.
Der Prototyp des neuen O-FETs wurde auf einem Glasssubtrat dargestellt, der nächste Entwicklungsschritt besteht darin, zu zeigen, dass die Technologie auch auf Kunststoff-Substraten funktioniert. Abschließend soll untersucht werden, ob sich die neuen Doppelschicht-O-FETs im Ink-Jet-Verfahren herstellen lassen.