Sparsame Plastik-Elektronik

Deutsche Forscher entwickeln organische Schaltkreise, die nicht nur bei niedrigen Temperaturen zu erzeugen sind, sondern auch noch besonders wenig Strom verbrauchen.

Ob sich die Elektronik auch in diesem Maße durchgesetzt hätte, stünde statt des eingängigen Schlagworts Silizium ein polymerer Halbleiter wie Hexadekafluorokupferphthalocyanin in allen Lehrbüchern und einschlägigen Artikeln? Zumindest hätten wir weniger Wortspiele und Fehlübersetzungen zwischen Silicon (Silizium) und Silicone (Silikon) ertragen müssen. In Zukunft werden wir aber vermutlich öfter über derartige Chemie-Monster stolpern, denn organische Schaltkreise erweisen sich für viele Anwendungen als vorteilhaft. Vor allem, dass man die Plastik-Transistoren in druckähnlichen Verfahren herstellen kann (siehe auch: Gedruckte Kunststoff-Transistoren), reizt die Branche. Oberflächen beliebiger Art ließen sich so mit mehr oder weniger leistungsfähiger elektronischer Intelligenz bestücken - etwa in Form der berühmt - berüchtigten RFID-Chips. Allerdings haben organische Transistoren bisher den, gerade für derartige Applikationen nicht unwichtigen Nachteil, dass sie im Vergleich zu ihren Silizium-Brüdern relativ viel Strom verbrauchen.

Dem wollen deutsche Forscher abhelfen, die in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature ein Verfahren beschreiben, mit dem sie besonders sparsame organische Schaltkreise herstellen konnten. Statt p- und n-leitendem Silizium nutzen die Wissenschaftler aus Stuttgart und Erlangen die organischen Halbleiter Pentacen und das oben schon genannte Hexadekafluorokupferphthalocyanin. Besonderes Augenmerk widmen sie der wesentlich für den Stromverbrauch zuständigen dielektrischen Schicht zwischen den Elektroden. Das Dielektrikum soll dem Gate idealerweise zu einer hohen Kapazität und niedrigen Leckströmen verhelfen.

Andererseits sollte die Dicke dieser Schicht möglichst klein sein, damit man die Schaltkreise auch mit niedrigen Spannungen betreiben kann. Näher als mit einer monomolekularen Schicht kann man diesem Ideal kaum kommen. Und wenn man dann auch noch bestimmte Eigenschaften der verwendeten Moleküle nutzt, um diesen die selbstständige Bildung einer derartigen Schicht nahezulegen, erleichtert das die Prozesstechnologie weiter. Das ist insofern noch keine neue Idee - den vier deutschen Wissenschaftlern gelang es allerdings, die dielektrische Schicht erstmals nicht nur auf Silizium wachsen zu lassen. In einem in Nature genauer beschriebenen Prozess erzeugten sie das Dielektrikum auf Unterlagen aus Glas oder Polyethylennaphtalat, die mit einer dünnen Schicht aus Aluminium überzogen waren.

Messungen zeigten dann, dass eine nur 2,1 Nanometer dicke monomolekulare Schicht die Leckstromdichte zwischen den Elektroden bei einer Spannung von 2 Volt um drei Größenordnungen senkte - und zwar auf 5 * 10^-8 Ampere pro Quadratzentimeter. Zum Vergleich: in 90-Nanometer-Technologie gefertigte Siliziumtransistoren mit einer vergleichbaren Oxiddicke von 2,2 Nanometer weisen eine Gatestromdichte von 10^-3 Ampere pro Quadratzentimeter auf. Auf dieser Grundlage konstruierten die Forscher unter anderem organische Dünnfilm-Transistoren (TFTs), bei deren Herstellung sie eine Prozesstemperatur von 90 Grad Celsius nie überschreiten mussten. Die organischen TFTs lassen sich sogar mit geringerer Spannung betreiben als herkömmliche TFTs aus amorphem Silizium - und das bei vergleichbaren Eigenschaften.

Lohn der Mühe: Die Plastik-Chips der süddeutschen Forscher verbrauchen pro Logik-Gate nur ein Nanowatt - typische Anwendungen mit einigen Tausend Gates ließen sich monatelang mit einer winzigen Batterie betreiben. Auch auf flexiblem statt starrem (Glas-)Untergrund ließen sich die Chips erfolgreich unterbringen - mit etwas schlechteren elektrischen Eigenschaften.