Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

Flexible organische Transistoren und integrierte Schaltungen mit extrem kleinen Versorgungsspannungen von 0,7 Volt

Autoren
Klauk, Hagen
Abteilungen
Forschungsgruppe „Organische Elektronik”
Zusammenfassung
Im Vergleich zu Transistoren auf der Basis anorganischer Halbleiter lassen sich organische Transistoren bei deutlich niedrigeren Temperaturen von etwa 100 Grad Celsius herstellen. Dies ermöglicht die Herstellung elektronischer Systeme auf diversen Substraten wie Kunststoff, Papier, oder Textilien. Da solche elektronischen Systeme für mobile Anwendungen von Interesse sind, spielt eine möglichst niedrige Versorgungsspannung der Transistoren eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund haben wir einen extrem dünnen Gate-Isolator entwickelt, der die notwendige Versorgungsspannung auf 0,7 Volt reduziert.

Organische Transistoren sind Feldeffekt-Transistoren, deren Halbleiter eine dünne, polykristalline Schicht aus konjugierten Molekülen ist. Im Gegensatz zu anorganischen Transistoren, deren Herstellung Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erfordert, lassen sich organische Transistoren bei Temperaturen von etwa 100 Grad Celsius herstellen. So lassen sich solche Transistoren auf einer Vielzahl von Substraten wie Kunststoff, Papier oder Textilien produzieren. Dadurch ergeben sich viele neue Anwendungen, zum Beispiel flexible, dehnbare und extrem dünne integrierte Schaltungen, Bildschirme und Sensoren [1].

Diese Art elektronischer Systeme kommt vor allem in mobilen Geräten zum Einsatz, wobei die Energieversorgung meist durch Solarzellen oder Batterien erfolgt und daher auf sehr kleine Versorgungsspannungen begrenzt ist. Die Ausgangsspannung von Solarzellen liegt beispielsweise bei etwa 0,7 Volt. Zwar lässt sich eine höhere Ausgangsspannung durch Serienschaltung mehrerer Solarzellen erzeugen; dies ist aber mit hohem Aufwand und Verlusten beim Wirkungsgrad verbunden. Ideal wären also Transistoren, die sich mit etwa 0,7 Volt betreiben lassen.

Um einen Feldeffekt-Transistor mit einer Gate-Source-Spannung von 0,7 Volt betreiben zu können, muss die Schwellspannung des Transistors möglichst bei 0 Volt liegen und der Gate-Isolator eine Kapazität von mindestens einem Mikrofarad pro Quadratzentimeter aufweisen. In organischen Transistoren konnten solch hohe Kapazitäten bislang nur durch Verwendung von Elektrolyten erzielt werden. Elektrolyte haben aber den Nachteil, dass das Auf- und Entladen der Kapazität durch die Bewegung von Ionen erfolgt und die Schaltfrequenzen entsprechend niedrig sind.

In Silizium-Feldeffekt-Transistoren ist der Gate-Isolator eine zwei Nanometer dicke Schicht aus Hafniumsilikat (HfSiO) und hat eine Kapazität von etwa drei Mikrofarad pro Quadratzentimeter [2]. Die Herstellung solch dünner Isolatorschichten in ausreichender Qualität erfordert Prozesstemperaturen von rund 800 Grad Celsius. Da für die Herstellung organischer Transistoren auf Kunststofffolien oder Papier derart hohe Temperaturen nicht realistisch sind, haben wir einen Gate-Isolator entwickelt, dessen Kapazität nur unwesentlich kleiner ist, der sich aber bei etwa 100 Grad Celsius produzieren lässt.

Abb. 1: Elektronenmikroskopische Querschnittsaufnahme eines organischen Transistors mit einem Gate-Isolator bestehend aus einer 3,5 Nanometer dicken AlOx-Schicht und einer 1,5 Nanometer dicken selbstorganisierenden Monolage.

Dieser Gate-Isolator besteht aus einer dünnen Schicht Aluminiumoxid (AlOx) und einer molekularen selbstorganisierenden Monolage und hat eine Kapazität von einem Mikrofarad pro Quadratzentimeter. Beide Schichten werden bei Temperaturen von etwa 100 Grad Celsius erzeugt. Die AlOx-Schicht wird dadurch erzeugt, dass die Oberfläche der Aluminium-Gate-Elektrode, die zuvor auf dem Substrat abgeschieden wurde, in einem Sauerstoffplasma oxidiert. Da die Oxidation von Aluminium selbstlimitierend ist, hängt die Schichtdicke im Wesentlichen von der elektrischen Leistung des Sauerstoffplasmas ab und lässt sich daher zuverlässig auf einen bestimmten Wert zwischen etwa drei und vier Nanometer. Die selbstorganisierende Monolage besteht aus Alkyl- oder Fluoroalkyl-Phosphonsäuremolekülen und entsteht durch spontane Adsorption und Ausrichtung der Moleküle auf der Oberfläche der AlOx-Schicht. Die Schichtdicke der so entstehenden Monolage wird durch die Kettenlänge der Moleküle definiert und beträgt ein bis zwei Nanometer.

Abbildung 1 zeigt eine elektronenmikroskopische Querschnittsaufnahme eines organischen Transistors mit einem Gate-Isolator bestehend aus einer 3,5 Nanometer dicken AlOx-Schicht und einer 1,5 Nanometer dicken selbstorganisierenden Monolage [3]. Unterhalb des Gate-Isolators ist die Aluminium-Gate-Elektrode zu erkennen und darüber die organische Halbleiterschicht, die durch Abscheidung der konjugierten organischen Moleküle erzeugt wird. Die Grenzfläche zwischen der AlOx-Schicht und der selbstorganisierenden Monolage ist in dieser Aufnahme nicht zu erkennen. Auf der Basis dieses Gate-Isolators haben wir auf Polymersubstraten organische Transistoren sowie integrierte Schaltungen hergestellt. Die selbstorganisierende Monolage besteht zu 25 Prozent  aus einer Alkyl-Phosphonsäure und 75 Prozent  aus einer Fluoroalkyl-Phosphonsäure. Als organische Halbleiter wurden die niedermolekularen Verbindungen Diphenyl-Benzothieno-Benzothiophen für die p-Kanal-Transistoren und Bisheptafluorobutyl-Dicyano-Perylenebisimid für die n-Kanal-Transistoren verwendet.

Abb. 2: Strom-Spannungs-Kennlinien eines p-Kanal- und eines n-Kanal-Transistors mit Versorgungsspannungen von 0,7 Volt, Transferkennlinie einer Inverterschaltung bestehend aus einem p-Kanal- und einem n-Kanal-Transistor, Fotos eines unipolaren und eines komplementären Ringoszillators und Abhängigkeit der Grenzfrequenz der Transistoren von der Versorgungsspannung.

In Abbildung 2 sind die Strom-Spannungs-Kennlinien der Transistoren, die Transferkennlinie eines Inverters bestehend aus einem p-Kanal- und einem n-Kanal-Transistor, die Fotos eines unipolaren und eines komplementären Ringoszillators und die Abhängigkeit der Grenzfrequenz der Transistoren von der Versorgungsspannung dargestellt [4]. Sowohl die p-Kanal- als auch die n-Kanal-Transistoren zeichnen sich durch einen vernachlässigbar kleinen Gate-Strom (<10-12 Ampère), eine Schwellspannung von 0 Volt und einen steilen Anstieg der Transferkennlinie von 100 Millivolt pro Dekade aus. Daher reicht eine Änderung der Gate-Source-Spannung von 0 Volt auf 0,7 Volt, um den Drain-Strom um sechs Größenordnungen (von 10-13 auf 10-7 Ampère) zu modulieren. Der Inverter ist die grundlegendste Logikschaltung, deren Funktion darin besteht, das Eingangssignal zu invertieren, also eine logische „0“ (Eingangsspannung = 0 Volt) in eine logische „1“ (Ausgangsspannung = Versorgungsspannung) und eine logische „1“ in eine logische „0“ umzuwandeln. Dabei soll der Übergang zwischen den beiden Zuständen erfolgen, wenn die Eingangsspannung der Hälfte der Versorgungsspannung entspricht (hier: 0,35 Volt), und der Übergang zwischen den beiden Zuständen soll möglichst steil sein; diese Bedingungen sind hier erfüllt. Um die Grenzfrequenz, also die maximale Schaltfrequenz der Transistoren, zu ermitteln, haben wir Ringoszillatoren hergestellt, in denen eine ungerade Anzahl von Invertern in Reihe geschaltet sind und bei denen der Ausgang an den Eingang rückgekoppelt ist, sodass sich aus der Frequenz der Oszillation die Grenzfrequenz der Transistoren ermitteln lässt. Die Grenzfrequenzen liegen zwischen 100 Kilohertz und  einem Megahertz für die p-Kanal-Transistoren und zwischen einem und zehn Kilohertz für die n-Kanal-Transistoren.

Die hier zusammengefassten Ergebnisse zeigen einen vielversprechenden Ansatz für die Herstellung flexibler integrierter Schaltungen, die sich mit Spannungen von etwa 0,7 Volt betreiben lassen, also mit der Ausgangsspannung einer einzelnen Solarzelle. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung flexibler elektronischer Systeme auf der Basis organischer Transistoren in mobilen Anwendungen.

Literaturhinweise

1.
Sekitani, T.; Yokota, T.; Zschieschang, U.; Klauk, H.; Bauer, S.; Takeuchi, K.; Takamiya, M.; Sakurai, T.; Someya, T.
Organic nonvolatile memory transistors for flexible sensor arrays
Science 326, 1516-1519 (2009)
2.
Natarajan, S. et al.
A 14nm Logic Technology Featuring 2nd-Generation FinFET, Air-Gapped Interconnects, Self-Aligned Double Patterning and a 0.0588 m2 SRAM cell size
IEEE International Electron Device Meeting Technical Digest, 3.7.1-3.7.3 (2014)
3.
Sekitani, T.; Zschieschang, U.; Klauk, H.; Someya, T.
Flexible organic transistors and circuits with extreme bending stability
Nature Materials 9, 1015-1022 (2010)
4.
Zschieschang, U.; Bader, V. P.; Klauk, H.
Below-One-Volt Organic Thin-Film Transistors with Large On/Off Current Ratios
Organic Electronics 49, 179-186 (2017)
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