Steigerung der Langzeitstabilität digitaler organischer Schaltungen

• Antragsteller: Dr. Hagen Klauk; Professor Dr.-Ing. Yiannos Manoli
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323274811

Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es, die Lebensdauer organischer integrierter Schaltungen zu verbessern und so deren zukünftigen Einsatz in realen Anwendungen zu erleichtern. Dieses Ziel soll durch mehrere Ansätze erreicht werden: Auf technologischer Ebene planen wir, durch Optimierung des Gatedielektrikums und der Halbleiterschicht die Langzeitstabilität organischer Transistoren, insbesondere organischer n-Kanal-Transistoren, zu verbessern und so das Defizit in der Stabilität organischer n-Kanal-Transistoren gegenüber organischen p-Kanal-Transistoren zu verkleinern. Auf schaltungstechnischer Ebene planen wir eine grundsätzliche Optimierung des Designs digitaler Grundschaltungen, um so den Einfluss der Instabilität der Transistoren auf die Langzeitstabilität der Schaltungen systematisch zu verringern. Ein zentraler Aspekt dieser Arbeiten ist der Entwurf digitaler Grundschaltungen mit der kleinstmöglichen Empfindlichkeit gegenüber den unvermeidlichen Verschiebungen der Schwellspannungen der organischen Transistoren.Da die Instabilität der Schwellspannung von Feldeffekt-Transistoren exponentiell von der Gate-Source-Spannung abhängt, planen wir darüber hinaus, erstmal das bisher ausschließlich in Silizium-Schaltungen erprobte Konzept extrem kleiner Versorgungsspannungen auf organische integrierte Schaltungen anzuwenden. Allerdings ist dabei zu beachten, dass der Betrieb organischer integrierter Schaltungen mit niedrigen Versorgungsspannungen erheblich durch die bei organischen Transistoren unvermeidlich auftretenden Parameterschwankungen erschwert wird, so dass auch hier eine systematische Optimierung aller Parameter, einschließlich der optimalen Versorgungsspannung und der damit verbundenen Kompromisse zwischen Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität, notwendig sein wird. Parallel dazu planen wir, die Transistortechnologie hinsichtlich noch kleinerer Versorgungsspannungen zu optimieren, also die Kapazität des Gatedielektrikums noch weiter zu erhöhen und die Schwellspannungen noch weiter zu verringern, so dass die unerwünschte Verschiebung der Schwellspannung im Betrieb noch weiter verringert wird. Diese Transistoren sollen dann für den Entwurf und die Herstellung integrierter Schaltungen verwendet werden, um so die Vielfalt stabiler digitaler Grundschaltungen zu erweitern und den Einfluss der Technologieparameter auf den Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität der integrierten Schaltungen besser zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Joachim N. Burghartz; Professor Dr. Kazuo Takimiya