Infineon Technologies hat Polymer-Chips mit ausgezeichnetem elektrischen Verhalten entwickelt und für eine kosteneffektive Fertigung optimiert

München, 12. November 2002 – Infineon Technologies hat heute angekündigt, dass in den Forschungslabors des Unternehmens elektronische Schaltungen auf der Grundlage organischer Transistoren auf verschiedenen Substraten mit bisher unerreichter Leistungsfähigkeit entwickelt und produziert wurden. Die von Infineon gefertigten Dünnfilm-Transistoren (TFTs) nutzen halbleitende organische Moleküle als aktive Schicht und erreichen eine Ladungsträger-Beweglichkeit von mehr als 1 cm²/ Vs. Die demonstrierte hohe elektrische Leistungsfähigkeit und das zu Grunde liegende, auf eine preiswerte Massenfertigung ausgerichtete Fertigungsverfahren erfüllen wesentliche Kriterien für künftige Polymerelektronik-Produkte in Applikationen, die eine extrem preiswerte Implementierung von Elektronik bei hohen Stückzahlen erfordern.

Polymerelektronik stellt im Hinblick auf Integrationsdichte und Taktfrequenz zwar keine direkte Alternative zur Integration auf Siliziumbasis dar, bietet aber den großen Vorteil der besonders preiswerten Herstellung bei gleichzeitig hoher Flexibilität. Während die Fertigung von integrierten Schaltungen mit Silizium oder anderen kristallinen Halbleitern viele aufeinander folgende Prozesse mit aufwendigen Geräten erfordert - und daher langwierig und relativ teuer ist - kann Polymerelektronik schnell, preiswert und in hohen Stückzahlen produziert werden. Zu den Anwendungen, die für den Einsatz von Polymerelektronik prädestiniert sind, zählen u.a. drahtlose Etiketten (RF ident tags), Flachbildschirme (flat panel displays), großflächige Sensor-Matrizen oder biochemische Sensoren.

Da alle Materialien, die für die Realisierung von elektronischen Schaltungen notwendig sind (also Halbleiter, Isolatoren und Leiterbahnen), als Polymere zur Verfügung stehen, ist es prinzipiell möglich, alle diese Materialien in geeigneten Lösungsmitteln zu lösen und nacheinander auf die verschiedenen Trägermaterialen aufzubringen, um die gewünschte elektronische Funktionalität zu erzielen. Tatsächlich werden organische Isolatoren und organische Leiter bei Infineon erfolgreich aus Lösung verarbeitet. Dagegen hat sich gezeigt, dass organische Halbleiter in umweltverträglichen Lösungsmitteln in der Regel schwer löslich sind, und dass deshalb für die Prozessierung giftige chlorierte Lösungsmittel eingesetzt werden müssen. Infineon setzt daher auf niedermolekulare Verbindungen, die ohne Verwendung von Lösungsmitteln aus der Gasphase aufgebracht werden können und außerdem im Vergleich zu polymeren Halbleitern eine höhere Leistungsfähigkeit aufweisen. Ein weiterer Vorteil der kleinen Moleküle ist deren unkomplizierte Aufreinigung mittels Sublimation, während die Aufreinigung von Polymeren aufwendige Chromatographieverfahren erfordert.

Die Infineon-Forscher haben eine Reihe von nahezu beliebig kombinierbaren Prozessen entwickelt, mit denen sie organische Transistoren und Schaltungen in hoher Qualität unter Verwendung konventioneller Abscheide-Prozesse und fotolithografischer Strukturierungstechniken herstellen können. Darüber hinaus ist es den Infineon-Wissenschaftlern gelungen, für die Strukturierung von Transistoren und Schaltungen auch den Mikrokontaktdruck (ein dem Flexodruck ähnliches Hochdruckverfahren) einzusetzen, ohne Einbußen bei den erzielbaren Strukturgrößen oder in der elektrischen Leistungsfähigkeit hinnehmen zu müssen.

„Die Forschungsergebnisse von Infineon demonstrieren, dass integrierte Schaltungen auf Kunststoff-Basis eine potenzielle Ergänzung zu Silizium-Chips in hochvolumigen und besonders kostenkritischen Applikationen sein können“, sagte Dr. Sönke Mehrgardt, CTO von Infineon Technologies. „Denkbare Applikationen für preiswerte Polymer-ICs sind RF-ID-Etiketten als Barcode-Ersatz oder auch der Bereich Wearable-Electronics.“

Organische Transistoren sind - ähnlich wie ihre Silizium-Pendants - aus mehreren Schichten aufgebaut: Substrat, Gate-Elektrode, Gate-Isolator, Source- und Drain-Kontakte, organischer Halbleiter (z.B. Pentazen oder substituierte Oligothiophene) und eine schützende Passivierung. Bei Infineon werden sowohl hybride organisch/anorganische Strukturen als auch reine Polymer-Chips entwickelt. Organische Halbleiter zeigen oft dann die höchste Ladungsträgerbeweglichkeit, wenn sie auf anorganischen Gate-Isolatorschichten, wie z.B. Siliziumdioxid abgeschieden werden. Damit wurden in der Vergangenheit Ladungsträger-Beweglichkeiten von mehr als 2 cm²/Vs erreicht. Allerdings erfordert die Abscheidung hochwertiger anorganischer Isolatorschichten eine zeitraubende Vakuumbeschichtung. Für eine preiswertere Fertigung in hohen Stückzahlen ist es also wünschenswert, die anorganischen Isolatoren durch leichter verarbeitbare polymere Isolatoren zu ersetzen.

Wesentliche Ziele der Infineon-Forscher waren die Substitution von Siliziumdioxid durch einen polymeren Gate-Isolator und die Herstellung von Transistoren und Schaltungen auf einer breiten Palette von Trägersubstraten, einschließlich preiswerter, flexibler Plastikfolien. Dazu wurden Formulierungen und Prozesse entwickelt, um leistungsfähige organische TFTs mit dem Isolator Polyvinylphenol und dem Halbleiter Pentazen anzufertigen. Unter Verwendung von thermisch aufgedampften Goldschichten für die Source- und Drain-Kontakte wurden hierbei Ladungsträgerbeweglichkeiten bis zu 3cm²/Vs gemessen; dies ist die höchste Beweglichkeit, die bisher für organische TFTs erreicht wurde. Auf der Grundlage dieser Pentazen-TFTs gelang den Infineon-Forschern die Herstellung digitaler Schaltungen, für die maximale Taktfrequenzen von 45 kHz (auf flexiblen Folienträgern) und 65 kHz (auf starren Glassubstraten) erzielt wurden. Höhere Taktfrequenzen wären durch eine Verringerung der minimalen TFT-Abmessungen von gegenwärtig 5 µm auf 1 µm oder darunter möglich, allerdings sind Strukturgrößen unterhalb von etwa 5 µm in der preiswerten, flexiblen Massenfertigung unrealistisch.

Eine weitere Aufgabe für das Infineon-Team bestand in der Entwicklung von Transistoren und Schaltungen, die ausschließlich aus organischen Substanzen bestehen, d.h. nicht nur ohne anorganische Isolatoren, sondern auch ohne anorganische Metalle auskommen. Dies gelang durch Verwendung des synthetischen Metalls PEDOT:PSS, und mit einer Ladungsträgerbeweglichkeit von 0.3 cm²/Vs wurde dabei ein Rekord für TFTs mit organischen Source- und Drain-Kontakten erzielt.

Infineon engagiert sich jedoch nicht nur in der Technologieentwicklung, sondern erarbeitet auch Schaltungskonzepte, die den speziellen Bedürfnissen der Polymerelektronik angepasst sind. Dies beinhaltet z.B. die Implementierung von Schaltungsentwürfen mit einem hohen Maß an Toleranz gegenüber Parametervariabilität, wie sie bei der preiswerten Massenproduktion unvermeidbar ist. Weiterhin werden Bauelemente, die sich mit organischen Materialien nicht oder nur schlecht herstellen lassen, wie z.B. hochwertige Dioden, durch Transistorersatzschaltungen realisiert.

Über Infineon

Infineon Technologies AG, München, bietet Halbleiter- und Systemlösungen für die Automobil- und Industrieelektronik, für Anwendungen in der drahtgebundenen Kommunikation, sichere Mobilfunk-Lösungen sowie Speicherbauelemente. Infineon ist weltweit tätig und steuert seine Aktivitäten in den USA aus San Jose, Kalifornien, im asiatisch-pazifischen Raum aus Singapur und in Japan aus Tokio. Mit weltweit rund 30.400 Mitarbeitern erzielte Infineon im Geschäftsjahr 2002 (Ende September) einen Umsatz von 5,21 Milliarden Euro. Das DAX-Unternehmen ist in Frankfurt und New York (NYSE) unter dem Symbol „IFX“ notiert.