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Umweltschonende Halbleiterproduktion: P-Kanal-Transistoren drucken

| Redakteur: Michael Eckstein

Transparente Dünnschicht-Transistoren bei Raumtemperatur drucken: Südkoreanische Forscher wollen mit einem neuartigen Fertigungsverfahren den Weg für die Entwicklung kostengünstiger und neuartiger optoelektronischer Bauelemente ebnen – und gleichzeitig die Umwelt schonen.

Durchblick: Durchsichtige, hochauflösende und möglicherweise flexible Display-Panel auf Basis gedruckter p-Kanal-Transistoren könnten innovative Anwendungen ermöglichen.
Durchblick: Durchsichtige, hochauflösende und möglicherweise flexible Display-Panel auf Basis gedruckter p-Kanal-Transistoren könnten innovative Anwendungen ermöglichen.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Wissenschaftler der Dongguk University in Seoul, Südkorea, haben ein Verfahren zum Herstellen von p-Kanal-Dünnschichttransistoren mit gedruckten Schaltungen bei Raumtemperatur entwickelt. Dazu verwenden sie weit verbreitetes Kupfersalz der Iodwasserstoffsäure, kurz Kupfer(I)iodid. Das nach eigenen Angaben energieeffiziente und kostengünstige Fertigungsverfahren soll das Entwickeln neuartiger optoelektronischer Bauelemente ermöglichen – und gleichzeitig die Umwelt weniger belasten als bisherige Herstellungstechniken.

Transistoren sind Grundbausteine fast aller elektronischen Geräte. Permanent forschen weltweit Institute und Unternehmen daran, neue Halbleitermaterialien zu finden und beispielsweise die Herstellungsverfahren für Dünnschichttransistoren (Thin Film Transistor, TFI) zu verbessern. Gleichzeitig wollen sie die Leistungsfähigkeit der Schaltelemente verbessern. Einige Innovationen auf diesem Gebiet führen dazu, dass sich ganz neue Anwendungen realisieren lassen – zum Beispiel transparente Displays mit ultrahoher Auflösung oder flexible elektronische Bauelemente.

Transparente Halbleiter sind gefragt

Laut Prof. Yong-Young Noh, der das Forscherteam leitet, besteht aktuell eine große Nachfrage nach transparenten Halbleitern vom p-Typ. Als Ladungsträger fungieren in diesen Halbleitern Defektelektronen, auch als „Löcher“ bezeichnet. Diese unbesetzten Zustände im Valenzband bewegen sich durch Generation und Rekombination von Elektronen im Kristall. P-Typ-Halbleiter eignen sich zur Herstellung von p-Kanal-Transistoren. Im Vergleich zu n-Typen sind sie jedoch chemisch weniger stabil, zudem weisen sie schlechtere elektrische Eigenschaften auf.

Nohs Team hat sich daran gemacht, diese Nachteile auszumerzen. Ziel der Gruppe ist es, einen transparenten p-Typ-Halbleiter für TFT-Displays zu entwickeln. Dabei haben sich die Wissenschaftler anstelle von Metalloxid ein metallhalogenidähnliches Kupfer(I)iodid (CuI) verwendet. „Die natürlich vorkommenden und umweltfreundlichen Arten von CuI machen es besser geeignet für großflächige gedruckte, transparente Elektronik“, erklärt Professor Noh. Noch wichtiger sei es, dass CuI eine höhere Mobilität der Löcher aufweist als andere oxidbasierte p-Typ-Halbleiter.

Unkontrollierte Leitfähigkeit bändigen

Bislang kommt CuI allerdings kaum als Halbleiter für TFTs zum Einsatz. Grund dafür ist, dass seine hohe Lochkonzentration zu einer unkontrollierbaren Leitfähigkeit führt. Dies ist kontraproduktiv, schließlich sollen Transistoren gezielt von einem leitenden in einen nichtleitenden Zustand umschaltbar sein, sich also schnell an- und ausschalten lassen. Hinzu kommt, dass die heutig üblichen, in der Regel auf einer flüssigen Lösung basierenden Fertigungsprozesse zum Herstellen dünner Schichten eine Wärmebehandlung erfordern, die energie- und zeitaufwendig ist.

Die Forscher um Noh fanden heraus, dass es möglich ist, die Leitfähigkeit von dünnen Schichten auf CuI-Basis zu reduzieren, indem man ihre Schichtdicke weiter reduziert. Damit sei es möglich TFTs herzustellen, deren Performance für viele aktuelle Anwendungsfälle ausreiche. Weiterer Vorteil: Diese CuI-Dünnschicht-p-Kanal-Transistoren lassen sich nach Aussage von Noh bei Raumtemperatur verarbeiten. Die Produktion sei dadurch einfacher, energiesparender und letztlich günstiger.

Durch das Variieren der Ausgangsbedingungen bei der TFT-Fertigung konnte das Forscherteam Parameter isolieren, die maßgeblich für die verbesserten Eigenschaften der Bauteile verantwortlich sind. Mit unterschiedlichen TFT-Displays wollen die Forscher zudem das Potenzial von CuI als p-Typ-Dünnschicht-Halbleiter demonstrieren. „Wir glauben, dass diese Arbeit der Durchbruch für raumtemperaturbeständige, kostengünstige, gedruckte und transparente p-Kanal-Transistoren für diverse optoelektronische Geräte sein kann“, schließt Prof. Noh.

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