Organische Dünnfilmtransistoren laufen bei niedriger Betriebsspannung

Organische molekulare Monolagen eignen sich für Gate-Dielektrika besser als anorganische Oxide

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Organische Dünnfilmtransistoren mit einer Gate-Isolierung aus einer amorphen, molekularen Monolage könnten dank einer niedrigen Schwellspannung von 0,7 V in künftigen tragbaren elektronischen Geräten für längere Akkulaufzeiten sorgen. Der Leckstrom durch diese Monolagen ist bemerkenswert klein, somit sind dünne Gate-Isolierungen möglich. Während bisher die Betriebsspannung organischer Transistoren bei rund 20 V lag, könnte sie nunmehr deutlich unter 2 V betragen.

Organische Dünnfilmtransistoren können beispielsweise Displays oder Sensoren steuern, wäre da nicht das Problem mit der hohen Betriebsspannung, die meist über 20 V liegt. Die Ursache des Problems ist die niedrige Gate-Kapazität des Transistors aufgrund des dicken Gate-Dielektrikums, dieses besteht gewöhnlich aus anorganischen Oxiden, Nitriden oder isolierenden Polymeren. Eine mindestens 100 nm dicke Gate-Isolierung sorgt für möglichst kleine Leckströme, diese rühren vom Tunneleffekt her und nehmen daher exponentiell mit der Schichtdicke ab. Allerdings darf die Gate-Kapazität nicht beliebig klein werden, da eine winzige Ladungsfluktuation nicht zu einer Signalstörung führen soll.

Querschnitt durch den organischen Dünnfilmtransistor mit einer effektiven Kanallänge vom 5000 nm, seine Schwellspannung beträgt 0,7 V, was für Transistoren dieser Bauart ungewöhnlich niedrig ist. (Bild: Marcus Halik, Infineon)

Wie Forscher der Firma Infineon in Erlangen zusammen mit Kollegen der Universität Stuttgart und des Massachusetts Institute of Technology in der Ausgabe vom 21. Oktober 2004 der Zeitschrift Nature auf Seite 963 in Band 431 berichten, könnte ein neuartiges Herstellungsverfahren mit einem 2,5 nm dicken Gate-Dielektrikum aus einer organischen molekularen Monolage Abhilfe schaffen. Die relative Dielektrizitätskonstante dieser Monolage beträgt 2,5; ein weiterer Vorzug ist eine besonders hohe elektrische Durchbruchfeldstärke.

Für den Kanal des Transistors eignet sich besonders das Polymer Pentazen, dieser organische Halbleiter zeichnet sich durch eine besonders hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aus – je höher die Ladungsträgerbeweglichkeit, desto schneller kann ein Transistor schalten. So umgebaute Dünnfilmtransistoren kommen mit einer Betriebsspannung unter 2 V aus. Der Leckstrom durch das Gate-Dielektrikum ist sogar tendenziell kleiner als bei vergleichbaren Mosfets aus Silizium mit Quarz als Gate-Oxid.

Die niedrige Betriebsspannung kommt nicht nur den Entwicklern tragbarer Geräte entgegen, sie könnte auch helfen, Leckströme in künftigen Nanotransistoren aus Silizium zu reduzieren und damit die Leistungsaufnahme von Mikroprozessoren zu senken. Hier setzt die Halbleiterindustrie heutzutage jedoch eher auf Gate-Dielektrika mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante und sorgt auf diese Weise – trotz recht dicker Gate-Isolierung – für hinreichend hohe Gate-Kapazitäten.