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Parallel Donor and Acceptor Semiconductor Crystals for Organic Field Effect Transistors

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Einkristalline organische Bauelemente mit logischen Operationen sind der Realität einen Schritt näher

EU-finanzierte Forschende haben Pionierarbeit bei der Untersuchung von organischen Dünnschicht-Halbleitern auf der Basis von Einkristallen geleistet. Dabei konzentrierten sie sich vor allem auf organische Halbleiter, die den Transport von sowohl Elektronen als auch Löchern ermöglichen. Dies birgt ein großes Potenzial für den Entwurf hochfunktionaler Transistoren zur Ausführung logischer Operationen.

Grundlagenforschung

Organische Elektronik hat das Potenzial, die Technologie durch ihre hohe Kosteneffizienz, Vielseitigkeit sowie ihr im Vergleich zur konventionellen Elektronik geringes Gewicht zu revolutionieren. Die aus weit verbreiteten und weniger toxischen Materialien hergestellte organische Elektronik ist ideal für Anwendungen, die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an große Flächen erfordern. Organische Materialien können kostengünstig als leitende Tinten zum Drucken elektronischer Schaltkreise verwendet werden. Organische Leuchtdioden, organische Feldeffekttransistoren (OFET) und organische Photovoltaik sind die bisher größten Erfolgsgeschichten auf diesem Gebiet. Ladungstransport ist ein wichtiges Konzept zur Beschreibung der Funktionsprinzipien und der Leistung organischer Halbleiter. Je nachdem, ob die Mehrzahl der Ladungsträger im Kristall positive Löcher oder negative Elektronen sind, werden Halbleiter in p- beziehungsweise n-Typen eingeteilt. Die Verwendung von Halbleitern sowohl vom p- als auch vom n-Typ erweist sich als ein Segen für komplementäre, in elektronische Schaltungen eingebettete Logikbausteine. Im Rahmen des Projekts PARADA wurde das Wachstum paralleler Einkristallstreifen aus Halbleitern vom p- und n-Typ erfolgreich demonstriert, um einkristalline Transistoren zur Ausführung logischer Operationen herzustellen. Aus Einkristalltransistoren bestehende elektronische Bauelemente weisen äußerst wünschenswerte Eigenschaften auf: Mobilität von Ladungsträgern, geringe Defektkonzentration und hohe operative Stabilität. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt demonstrierte Innovationen an gleich mehreren Fronten.

Kristallzüchtung von Halbleiter-Mischungen

Das Züchten organischer Halbleiter als Einkristalle, die entweder Elektronen oder Löcher transportieren können, ist nicht neu. Der OFET-Herstellungsprozess etwa erfordert die separate Abscheidung und Strukturierung von zwei verschiedenen Halbleitermaterialien, eines für jeden Transistortyp. Bei dem Prozess ist die Auswahl der im Hinblick auf Größe und Form am besten geeigneten Halbleiter notwendig. Darüber hinaus müssen die Halbleiter vom n- und p-Typ vergleichbare elektronische Eigenschaften aufweisen. Insgesamt ist der Prozess langwierig und ähnelt Handwerksarbeit. Halbleiter mit ambipolarem Ladungstransport könnten einen großen Beitrag zur Bewältigung dieser Herausforderungen leisten. Das Konzept beinhaltet die Injektion und den Transport von Elektronen und Löchern in einer einzelnen Halbleiterschicht. PARADA konzentrierte sich auf die Verarbeitung von Halbleitern vom p- und n-Typ mit einer effizienten, lösungsmittelfreien Dünnschicht-Fertigungsmethode. „Obwohl es eine Flut von Forschungsaktivitäten rund um die gerichtete Kristallisation von organischen, aus einer Schmelze wachsenden Dünnschicht-Halbleitern gegeben hat, wurde das Kristallwachstum von Halbleitermischungen vollkommen übersehen. PARADA hat erfolgreich gezeigt, dass das gerichtete Kristallwachstum von Halbleiter-Mischungen auf organische Halbleiter ausgedehnt werden kann“, merkt wissenschaftlicher Mitarbeiter Guangfeng Liu an, der PARADA koordiniert hat. Die Steuerung der Phasentrennung in der Donator-Akzeptor-Mischung der organischen Halbleiter sowie der Temperaturgradient hatten einen starken Einfluss auf die Kristallwachstumsrate. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten gründlich die Schmelz- und Kristallzustände von organischen Halbleitern mit Hilfe von Kalorimetrie und Röntgenkristallografie, um die beste Kombination von Halbleitern vom p- und n-Typ zu ermitteln. Bei ihrem Versuch, parallele Streifen von Halbleitern des p- und n-Typs auf Glassubstraten zu erhalten, sahen sie sich mit einem unerwarteten Problem konfrontiert: der Rissbildung in den Einkristallen. Um dieses Problem zu beheben, beschichteten sie starre Glassubstrate mit einer dielektrischen Schicht aus weichem Gummi.

Die nächste Generation hochleistungsfähiger, flexibler und gedruckter Elektronik

Die Herstellung und Charakterisierung von OFET auf der Basis der präparierten kristallinen Filme konnte aufgrund der COVID-19-Pandemie nicht abgeschlossen werden. „Die Ergebnisse von PARADA könnten dem Feld der organischen Halbleiter zur Verwendung in Geräten, die logische Operationen ausführen, neuen Schwung verleihen. OFET ermöglichen die Herstellung kostengünstiger und flexibler elektronischer Geräte, wie Flachbildschirme, Karten zur Radiofrequenz-Identifizierung und elektronische Häute. Diese Geräte benötigen dringend die Entwicklung komplementärer Logikschaltungen, um weniger Energie zu verbrauchen“, schließt Liu.

Schlüsselbegriffe

PARADA, organische Halbleiter, OFET, n-Typ-Halbleiter, logische Operationen, Einkristall, organische Elektronik, organischer Feldeffekttransistor

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