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Anorganische Dünnschichtelektronik

Der LEB beteiligt sich im Rahmen vieler unterschiedlicher Forschungskooperationen an der Entwicklung von gedruckten Bauelementen auf Basis von anorganischen Dünnschichten aus Nanopartikel-Dispersionen oder gelösten molekularen Vorstufen. Für zahlreiche Anwendungen wie z.B. die elektronische Etikettierung, oder großflächig verteilte Sensorik für Internet-of-Things- und Industrie 4.0-Anwendungen sind kostengünstige Alternativen zur Standard-Silicium-Technologie mit teilweise entspannten Anforderungen an die elektrischen Parameter gefragt. Gedruckte Bauelemente basierend auf halbleitenden Polymeren besitzen den Nachteil einer geringen Langzeitstabilität aufgrund von UV-Licht-, Feuchteempfindlichkeit sowie elektrischer Degradation, so dass sich die Forschungsaktivitäten am LEB auf den Einsatz von anorganischen Halbleitern wie Silicium, Germanium und Metalloxiden fokussieren. Als Brückentechnologie zur Umsetzung gedruckter elektronischer Systeme setzt der LEB zudem konventionelle Vakuumprozesstechniken zur Realisierung von Dünnschichtbauelementen ein, beispielsweise die Kathodenzerstäubung.

Projekte:

Dünnschichttransistoren (Thin-Film Transistors, TFTs) werden hauptsächlich in Flachbildschirmen als Schalter zur Ansteuerung der Bildpunkte verwendet. Bekannte Bezeichnungen sind TFT-Bildschirm oder TFT-Monitor. In TFTs wird die Stromleitfähigkeit einer Halbleiterschicht zwischen zwei Kontakten, genannt Source und Drain, durch einen dritten Kontakt, das Gate, beeinflusst. Der Strom kann so über mehrere Größenordnungen verändert werden. Man spricht von ausgeschaltet wenn der Stromfluss verschwindend gering (zum Beispiel wenige Pikoampere) und von angeschaltet wenn er sehr viel größer (beispielsweise mehrere Mikroampere) ist. Das Umschalten benötigt immer etwas Zeit (Bruchteile von Sekunden). Wenn Source und Drain näher zusammen sind (der sogenannte Kanal ist kleiner), dann wird diese Zeit verringert, der TFT schaltet schneller. In aktuellen Dünnschichttransistoren werden Source und Drain einheitlich oberhalb oder unterhalb des Halbleiters angebracht. Die Kontaktierung auf gegenüberliegenden Seiten in den zu untersuchenden Alternating Contact TFTs (ACTFTs) ermöglicht neue Freiheitsgrade für Bauelementeoptimierung und -einsatz. Dieses Projekt zielt speziell auf Möglichkeiten zur kostengünstigen Realisierung von Kurzkanal-ACTFTs für den Einsatz in Hochfrequenz-Schaltungen ab. Mit den beiden Lehrstühlen für Elektronische Bauelemente sowie Technische Elektronik der FAU Erlangen-Nürnberg arbeiten zwei ausgewiesene Einrichtungen der Halbleiterelektronik und Hochfrequenz-Schaltungstechnik gemeinsam an der integrierten Entwicklung von Hochfrequenz-ACTFTs und daraus abgeleiteten Schaltungen und Systemen. Auf Basis von Metalloxid-TFTs (Bei diesen TFTs ist der Halbleiter ein Metalloxid.) werden Bauelementphysik, Hochfreqeunz-Verhalten und neue Schaltungsansätze erforscht und neue Perspektiven für dünne, flexible Anwendungen in Industrie-, Consumer- sowie textiler/tragbarer Elektronik aufgezeigt.

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Im beantragten Vorhaben wird die Abscheidung von Silicium-Dünnfimen aus gelösten und formulierten Polysilan-Präkursoren für den Einsatz in elektronischen Bauelementen untersucht. Gegenüber anderen anorganischen Materialsystemen aus der Flüssigphase verspricht die Herstellung von Silicium-Dünnfilmen Vorteile hinsichtlich fundamentaler Materialeigenschaften (Beweglichkeiten, Lebensdauern), Stabilität und Zuverlässigkeit sowie der Beeinflussbarkeit von Materialparametern (z.B. Dotierung). Die wissenschaftliche Herausforderung des Vorhabens besteht in signifikanten Verbesserungen in
  • der Reproduzierbarkeit und Ausbeute bei der Synthese von Cyclosilan- und Polysilan-Lösungen für Aufschleuder, Sprüh- oder Druckverfahren,
  • der Funktionalität der Silanmoleküle.

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In diesem Projekt untersucht der Lehrstuhl für elektronische Bauelemente die Herstellung elektronischer Dünnschichten aus Nanopartikeln. Vorteil ist hierbei, dass Nanopartikel bei hoher Temperatur mit guter Materialqualitäthergestellt werden können und für die Herstellung der Dünnfilme vergleichsweise niedrige Temperaturen benötigt werden. Damit können die erzeugten Schichten beispielsweise auf dünnen Kunststoffsubstraten aufgebracht werden, was zukünftig neuartige, biegbare und großflächige z.B. Bildschirme oder Solarzellen ermöglicht.

Die große Herausforderung bei der Verwendung von Nanopartikeln für die Schichtherstellung ist die Einstellung der elektrischen Schichteigenschaften und die Verkapselung gegen Umwelteinflüsse. Diese wurden in einem Vorprojekt bereits untersucht. In der laufenden Projektphase adressieren wir anwendungsnahe Fragestellungen wie den Einfluss der Geometrie auf die Strom-Spannungs-Beziehungen und die Kombination von Bauelementen zu Schaltungen.

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Crucial for all kind of printed electronics is to assess and understand the electrical limitations in utilized nano materials. Among which, ZnO nanoparticles are widely used as electron transporting layer in multi-layer stack semiconductor devices, e.g. organic solar cells. Since ZnO nanoparticles are rather difficult to control with respect to their electronic properties the charge transport mechanism in solution-cast films of ZnO nanoparticles is investigated under various…

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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.

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Beteiligte Wissenschaftler: