Lösungsabgeschiedene, luftbeständige Organische Feldeffekttransistoren mit hoher Grenzfrequenz für drahtlose Kommunikationsanwendungen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Mannsfeld
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273177482

Obwohl organische Feldeffekttransistoren (OFETs) seit mehr als 20 Jahren erforscht werden, gibt es nur sehr wenige Berichte von luftbeständigen OFETs mit Schaltfrequenzen von mehr als 1MHz. Auf der anderen Seite gibt es enormen Bedarf im Bereich kostengünstiger analoger, biegsamer Schaltungen wie zum Beispiel Hochfrequenzverstärker oder drahtlose Empfängerschaltkreise mit geringer Leistungsaufnahme und geringem Rauschen, die mit Frequenzen im zweistelligen MHz-Bereich oder gar bis zu GHz Frequenzen umgehen können. Um Schaltkreise für drahtlose Kommunikation im Bereich der ISM Frequenzbänder (13.56MHz oder 27.12MHz) zu realisieren, in denen die organischen Transistoren z.B. als Verstärker operieren, muss die Transitfrequenz der OFETs bedeutend erhöht werden und in den Bereich von 50-200MHz vordringen. Die Transitfrequenz ist im Wesentlichen durch die Transistorgeometrie und -abmessungen, sowie die intrinsische Ladungsträgerbeweglichkeit des organischen Halbleiters begrenzt. Die meisten der bisher veröffentlichten Arbeiten mit dem Ziel der Erhöhung der Transitfrequenz hatten die Verkürzung der Kanallänge des Transistors zum Inhalt, und einige vielversprechende Ansätze, vor allem Transistoren mit vertikalen Kanälen, wurden demonstriert. Das Potential diese Konzepte mit organischen Hochleistungshalbleitern zu verbinden wurde allerdings bisher noch nicht voll ausgeschöpft Das Hauptziel dieses Antrags ist die Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Fertigung von OFETs mit Schaltfrequenzen von mehr als 50MHz auf Plastiksubstraten. Wir sind seit kurzem in der Lage OFETs mit sehr hoher (weltweit höchster je in organischen Materialien gemessener) Leistungsfähigkeit in aus der Lösung mit Verfahren abzuscheiden, die mit Plastiksubstraten kompatibel sind. Durch sorgfältige Einstellung der Abscheidebedingungen und -parameter haben wir Ladungsträgerbeweglichkeiten von bis zu 11cm^2/Vs in gedruckten hochkristallinen Schichten des kommerziell verfügbaren Halbleitermaterials TIPS-pentacene, sowie bis 43cm^2/Vs in aufgeschleuderten Schichten von Mischungen aus den ebenfalls kommerziell erhältlichen Materialen C8-BTBT und Polysterol messen können. Der vorliegende Antrag soll seine Zielsetzung durch die Kombination dieser technologischen Durchbrüche im Bereich hoher Ladungsträgerbeweglichkeiten mit den bereits bekannten Verfahren zur Herstellung von Kurzkanaltransistoren erreichen. Ein großer Vorteil unserer Herangehensweise ist, dass sie einem der Kerngedanken hinter der Vision von biegsamen, plastikbasierten Schaltungen für drahtlose Kommunikation Rechnung trägt: geringen Herstellungskosten! Das Resultat unserer Forschung wird ein lösungsbasiertes Verfahren (Drucken!) sein mit Hilfe dessen OFETs mit Schaltfrequenzen von über 50 MHz billig auf Plastiksubstraten und aus luftbeständigen, kommerziell verfügbaren Halbleitermaterialien hergestellt werden können.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1796: High Frequency Flexible Bendable Electronics for Wireless Communication Systems (FFLexCom)
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartnerinnen: Professorin Zhenan Bao, Ph.D.; Professorin Brigitte Voit, Ph.D.