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Flexible Elektronik

In der heutigen Zeit stellt das „Internet der Dinge“ (IoT) die treibende Kraft für die rasante Entwicklung im Bereich der flexiblen Elektronik dar. Grundlegende Technologien wie RFID-Etiketten bieten in Synergie mit Sensornetzwerken das Potential für innovative Applikationen; sei es im Gesundheitssektor als tragbare Elektronik (wearable electronics) für die Überwachung von Vitalparametern oder in der Lebensmittelindustrie im Bereich der Qualitätsüberwachung. Dünnschichttransistoren (TFTs) stellen ein Schlüsselelement  für dieses Technologie dar, da sie für die Strommodulation im System verantwortlich sind. Um das Interesse des Marktes für diese portablen Gadgets zu wecken, müssen sich diese neben ihrer kosteneffizienten Herstellung auch durch eine geringe Leistungsaufnahme auszeichnen.

Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau eines TFTs. Das Substrat bildet bei diesem Aufbau kein elektrisch aktives Element und ist nicht für die Funktionsweise des TFTs ausschlaggebend. Aus diesem Grund wurden Polymere wie PET oder PP als mögliche Substrate entdeckt, um massenproduktionstaugliche Prozesse wie Rolle-zu-Rolle Verfahren nutzen zu können. Anzumerken bleibt allerdings, dass die Nutzung dieser Substrate verschiedene neue Anforderungen an den Integrationsprozess stellen, da Polymere im Allgemeinen nur begrenzte thermische und chemische Resistenzen aufweisen.

Die aktiven Elemente eines TFTs bilden die Elektroden (Source, Drain, Gate), die Isolationsschicht (Dielektrikum), sowie die verwendete Halbleiterschicht. Der Halbleiterbereich zwischen der Source- und Drain-Elektrode wird als Kanalbereich des TFTs bezeichnet. In diesem Kanal kann die Größe des Stromflusses durch das angelegte elektrische Feld im Gate-Bereich (Gate-Elektrode mit zugehöriger Isolationsschicht) beeinflusst werden. Dünnschichttransistoren arbeiten in Akkumulation und je nach Ladungsträgerart, die für den Stromtransport verantwortlich ist, kann zwischen n-Kanal (Majoritätsladungsträger: Elektronen) und p-Kanal (Majoritätsladungsträger: Löcher) unterschieden werden.

Als Elektrodenmaterialien werden im Allgemeinen niederohmige Metalle eingesetzt, um potentiell auftretende Verlustleistungen zu minimieren. Der Wahl des Source-/Drain-Materials kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da dieses auf die Anforderungen der aktiven Halbleiterschicht angepasst werden muss, um mögliche Ladungsträgerinjektionsbarrieren zu minimieren.

Um den Betrieb des Bauelements bei niedrigen Spannungen zu ermöglichen, werden Dielektrika mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (high-k) gewählt, da diese proportional zur feldinduzierten Ladungsträgerdichte im Kanalbereich ist. In der Literatur sind anorganische Dielektrika wie Al2O3, HfO2 oder TiO2 bekannt, die über unterschiedliche Prozesstechniken (Atomic Layer Deposition, Elektronenstrahlverdampfen, reaktives Sputtern,…) hergestellt werden können. Allerdings beschränken vor allem ihre mechanischen Eigenschaften wie Flexibilität und Oberflächenrauigkeit ihren Anwendungsbereich. Als weiterer Ansatzpunkt werden organische-anorganische Nanokomposite verwendet, die die Flexibilität von organischen Polymeren mit der hohen Permittivität der anorganischen Komponenten verbinden und daher im Fachgebiet Sensorik eingesetzt werden.

Das Fachgebiet Sensorik beschäftigt sich seit dem Jahr 2005 im Rahmen von Industriekooperationen sowie geförderten Forschungsprojekten intensiv mit der Integration von Dünnschichttransistoren auf Basis von nanostrukturierten Materialsystemen (ZnO, CuO) und organischen Halbleitermaterialien (Pentacen, DNTT , DPh-BTBT, C8-BTBT). Das vom Fachgebiet Sensorik entwickelte Integrationsverfahren ermöglicht eine substratunabhängige Herstellung verschiedener Bauelemente. So konnte die Integration sowohl von Einzeltransistoren, als auch von ersten Logikschaltungen (Inverter) auf Silizium-, Glas- und Foliensubstraten mit nur geringer Parametervariation realisiert werden.

Laufende Projekte

Optimierung von Leistungsaufnahme und Schaltungsgeschwindigkeiten

  •   Miniaturisierung der TFT-Geometrie (sub-µm Bereich)
  •   Reduzierung von parasitären Effekten (Überlappkapazitäten, Crosstalk)
  •   Entwicklung von Integrationsmethoden für die Komplementärtechnik

Entwicklung von Sensoren

  • Wasserqualitätsanalyse
  • Gassensoren
Sie interessieren sich für:
Ansprechpartner

Julia Reker

Sensorik (SEN)

Integration of Complementary Thin-Film Transistor (CTFT)

Julia Reker
Telefon:
+49 5251 60-5907
Fax:
+49 5251 60-5913
Büro:
P8.4.04

Förderung

Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs "Mikro und Nanostrukturen in Optoelektornik und Photonik" (GRK 1464) gefördert.

 

DFG: Dielektrika Hi551/7-1/-2/-3, SACFETs Hi551/36-1

BMBF: Wasserqualitätsanalyse

Die Universität der Informationsgesellschaft