Mit organischen Transistoren zu günstigeren flexiblen Displays Fertigung bei unter hundert Grad

Vergleich: Transistortechniken auf flexiblen Substraten

Die Vielzahl an Märkten, die mit flexibler Elektronik bedient werden kann, und die hohe Erwartungshaltung, dass sich die Technik dort auch durchsetzen wird, sind die Gründe dafür, dass derzeit gleich mehrere Transistortechniken für flexible Substrate entwickelt werden.

Amorphes Silizium

Die heute am weitesten verbreitete Großflächen-Transistortechnik ist das amorphe Silizium (a-Si). Sie bildete vor mehr als 40 Jahren die Inspiration für die Entwicklung von Flachbildschirmen und dominiert nach wie vor das Feld der heutigen glasbasierten Displays. Im Laufe der Jahre gab es immer wieder Ansätze zur Herstellung flexibler a-Si-Transistoren, worunter besonders die Arbeit von Philips in den 1990er Jahren hervorzuheben ist. Von diesen Versuchen wurde jedoch bald wieder Abstand genommen, da die Entwickler der flexiblen Elektronik eine Technik anstrebten, die durch größere Ladungsträgermobilität und eine höhere Zuverlässigkeit unter dem Einfluss elek­trischer Belastungen gekennzeichnet ist.

Polykristalliens Silizium

Die heute gängigen Fertigungsmethoden für flexible Transistoren auf flexiblen Substraten basieren auf sogenannten Low Temperature Polysilicon (LTPS) TFTs, die auf Polyimid gefertigt werden. Man findet sie beispielsweise bei den Galaxy Edge Smartphones von Samsung. 

LTPS nutzt nach wie vor Silizium als Halbleiter, bedient sich aber der Laserkristallisierung und anderer komplexer Prozesse zum Erzielen einer höheren Ladungsträgermobilität und einer stabileren Funktionsweise, was allerdings mit höheren Kosten verbunden ist. Die Verwendung von LTPS-TFTs für flexible Displays bringt weitere Nachteile mit sich. Zum Beispiel ist die Materialauswahl wegen der benötigten hohen Prozesstemperaturen (>450 °C) auf exotische und damit relativ teure Kunststoffsubstrate beschränkt (Bild 3).

Die hohen Temperaturen können außerdem zu geringeren Fertigungsausbeuten und dementsprechend höheren Produktionskosten führen, sodass biegsame Displays praktisch nur für wenige Anwendungen genutzt werden. Die Tatsache, dass für die LTPS-Technik hochkristallines Material verwendet wird, kann außerdem zu Unregelmäßigkeiten im Verarbeitungsprozess führen. Häufig werden diese Nachteile jedoch durch die beträchtliche Ladungsträgermobilität und die hohe allgemeine elektrische Leistungsfähigkeit dieser Technik wettgemacht.

Oxid-TFTs

Eine weitere Transistortechnik, die aktuell für flexible Substrate entwickelt wird, sind die Oxid-TFTs. Zu den Vorteilen, die man sich hiervon verspricht, gehören niedrigere Produktionskosten und eine im Vergleich zur LTPS-Technik erhöhte Prozesssicherheit. Die mangelnde Reproduzierbarkeit der Oxid-TFTs, die ihrer Verwendung auf dem Massenmarkt bisher entgegenstand, stellt aber immer noch eine Herausforderung dar. Bisher beschränkte sich die Herstellung von Oxid-TFTs auf glasbasierte Produkte von ganz wenigen Anbietern wie Sharp und LG Display, die erklärten, mit geringer Fertigungsausbeute Indium-Gallium-Zink-Oxid- (IGZO) TFT-Backplanes für LCDs produzieren zu können [4]. Die leistungsfähigsten und stabilsten Oxid-Transistoren verlangen außerdem nach hohen Verarbeitungstemperaturen, was dieselben Nachteile mit sich bringt wie bei der LTPS-Technik.

Nicht vergessen werden sollte außerdem, dass es sich bei den elektrisch aktiven Schichten in a-Si, LTPS und Oxid-TFT um Keramikwerkstoffe handelt, was der Flexibilität und Robustheit der Technik grundsätzlich Grenzen setzt.