GRK 1161: Disperse systems for electronic applications – subproject electron devices in a nano-crystalline matrix

GRK 1161: Disperse systems for electronic applications - subproject electron devices in a nano-crystalline matrix

(Third Party Funds Group – Sub project)

Overall project: GRK 1161: Disperse systems for electronic applications
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Start date: 1. October 2005
End date: 30. September 2014
Acronym: GRK 1161
Funding source: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)
URL: http://www.druckbare-elektronik.techfak.uni-erlangen.de/

Abstract

Dieses Projekt zur Entwicklung von druckbarer Elektronik wird im Rahmen des Graduiertenkollegs "Disperse Systems" durchgeführt und von der DFG sowie der Evonik Industries AG (vormals Degussa) unterstützt.

Im Gegensatz zu Bauelementen für Computerchips, Steuerungen und Ähnlichem, wo die Anforderungen im Hinblick auf Dimensionierung und Schaltgeschwindigkeiten stetig steigen, gibt es auch Anwendungen, wie z.B. die elektronische Etikettierung, in denen nicht die Leistungsfähigkeit, sondern vorrangig die Herstellungskosten der entscheidende Faktor sind. Da die Standard-Silicium-Technologie eine Vielzahl von Prozess-Schritten vorsieht, die zeitaufwändig und kostenintensiv sind, ist für diesen Markt eine günstige Alternative gefragt.

Hierzu gibt es Entwicklungen auf Basis von halbleitenden Polymeren, z.B. Pentacen. Seit kurzem können integrierte Schaltungen vollständig gedruckt werden. Allerdings wird die Grenze der erreichbaren Ladungsträgerbeweglichkeit bei etwa 1 cm2/Vs erreicht. Ein anderer ungünstiger Faktor ist die durch UV-Licht- und Feuchteempfindlichkeit begrenzte Langzeitstabilität der gedruckten Bauelemente.

Seit einigen Jahren werden daher verstärkt Forschungen zu druckbarer Elektronik auf anorganischen Halbleitern, wie Silicium, Germanium und Metalloxiden wie Zinkoxid (ZnO), betrieben. Für die Verarbeitung in Drucktechnik werden diese Materialien als Nanopartikel, das heißt als kleinste Teilchen mit einem Durchmesser von einigen zehn bis hundert Nanometern, hergestellt und zu Tinten oder Pasten aufbereitet. Im Teilprojekt des Graduiertenkollegs "Elektronische Bauelemente auf nanokristalliner Basis" werden diese dann mittels einer Schleuder als dünne Schichten auf dem Trägermaterial aufgebracht und elektrisch charakterisiert. Zum Einsatz kommen hauptsächlich Silicium- und ZnO-Nanopartikel.

Es konnte ein Verfahren zur Charakterisierung der Leitungsmechanismen in Nanopartikelschichten etabliert werden. Die chemische und thermische Behandlung der Schichten zur Steigerung der Leitfähigkeit wurde optimiert. Damit lässt sich zum Beispiel die sehr geringe spezifische Leitfähigkeit von Siliciumnanopartikel-Schichten um bis zu zehn Größenordnungen auf einige hundert mS/cm steigern.

Auf Basis von Zinkoxid wurde ein erster Feldeffekttransistor realisiert. Eine Suspension der Partikel in Ethanol wurde auf einen thermisch oxidierten Siliciumträger aufgeschleudert. In einem Ofen wurden die Proben anschließend 30 Minuten bei 800 °C an Luft gesintert. Die Kontakte für Source und Drain wurden durch eine 500 nm dicke Aluminiumschicht gebildet, die mittels eines so genannten Lift-off-Verfahrens strukturiert wurde.

Das Ausgangskennlinienfeld eines Transistors auf Basis von Zinkoxid mit einer Gatelänge von 2 µm und einer Gateweite von 1,5 mm sowie eine schematische Darstellung des Bauelementes sind in der Abbildung zu sehen. Es handelt sich um einen selbstleitenden n-Kanal Transistor.

Publications