Auf der renommierten Fachkonferenz ISSCC 2011 (IEEE International Solid-State Circuits Conference), die vom 10. bis 24. Februar in San Francisco stattfindet, präsentierten Wissenschaftler von bekannten Unternehmen, wie IBM, Intel, Samsung und TSMC, die neuesten Entwicklungen und führende Akademikerkreise stellten ihre neuesten Errungenschaften vor.
Auf dieser Konferenz zeigen Wissenschaftler des Instituts für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) und des Max Planck Instituts (MPI) für Festkörperforschung in Stuttgart, die Ergebnisse ihrer gemeinsamen Anstrengungen, die zu den derzeit schnellsten Schaltkreisen basierend auf organischer Elektronik geführt haben. Ein wesentlicher Aspekt dieses Resultats ist die Verwendung von Silizium-Stencilmasken. Die Wissenschaftler präsentieren einen 6-bit digital-analog Wandler (DAC) in organischer Dünnfilmtransistortechnologie (OTFT), die dank der Anwendung der neuartigen Stencilmasken in der Herstellung zu 1000-mal schnelleren und 30-mal kleineren Schaltkreisen geführt hat, als es bisher auf dem Gebiet der OTFT möglich war.
OTFT Herstellung mit Stencilmasken
Diese "OTFT by stencil mask technology" genannte Herstellungsmethode bringt die Entwicklung organischer Dünnfilmtransistoren entscheidend weiter: Forscher der beiden Institute IMS CHIPS und MPI haben sich zusammengeschlossen, um die kleinsten und schnellsten organischen Dünnfilmtransistoren, die je in einem industrietauglichen Fertigungsprozess hergestellt wurden, zu realisieren. Die Gruppe um Dr. Hagen Klauk vom MPI ist international führend in der Forschung und Entwicklung organischer Dünnfilmtransistoren (OTFT) mit einem besonderen Schwerpunkt auf Niederspannungsprozessen (<5 V). Das ist der Spannungsbereich, in dem auch konventionelle Mikrochips betrieben werden. Im Gegensatz dazu werden die meisten internationalen Designs von OTFTs für den Hochspannungsbereich (>50 V) entwickelt, in dem OTFTs vergleichsweise schnell reagieren. Neben der Versorgungsspannung wird die Transistorgeschwindigkeit größtenteils durch die Kanallänge des Transistors bestimmt, die sich über den Gatekontakt steuern lässt. Je kürzer der Kanal, desto schneller der Transistor. Bis vor kurzem nutzte die Gruppe um Dr. Hagen Klauk die Verdampfung von Materialien durch eine Kunststofflochmaske, die durch einen Laserschnitt strukturiert wird. Die Mindestkanallänge für diese Strukturierungstechnik ist 20 ?m. IMS CHIPS unter der Leitung von Prof. Joachim Burghartz ist weltweit führend im Bereich Nanostrukturierung. Das Team um Dr. Florian Letzkus bei IMS CHIPS ist in der Lage, Siliziummembran-Stencilmasken mit Detailauflösungen bis hinab zu 100 nm herzustellen, abhängig von der Dicke der Membran. So wurden Stencilmasken mit einer Transistorkanallänge von weniger als 1 ?m gefertigt, die der Gruppe am MPI die Möglichkeit bot, Transistoren mit einem 20-fach kürzeren Kanal als dies bisher möglich war, zu fertigen.
Diese Transistoren können 100-mal schneller schalten, als die OTFTs, die mit Kunststofflochmasken hergestellt wurden. Ein weiterer Erfolg war die mechanische Qualität der Silizium- Stencilmasken, die gleichzeitig über hervorragende Festigkeit und Stabilität verfügen. Bei den Transistoren wurden deshalb im gesamten Maskenbereich sehr konsistente Eigenschaften erzielt.
Dadurch wurde ein Entwurf der Schaltkreise vergleichbar dem der siliziumbasierten Mikrochips möglich. Im Gegensatz zu den Stencilmasken aus Silizium zeigen die Kunststofflochmasken eine faltige Oberfläche und lassen sich nicht vollständig planar an das Substrat anlegen. Dadurch entsteht eine sehr merkliche Varianz der Bauteilemerkmale, die die Auswahl an möglichen Schaltungsstrukturen deutlich senkt.
Im Schaltungsentwurf können sowohl die sehr viel höhere Schaltgeschwindigkeit der Transistoren als auch die Konsistenz deren Eigenschaften nutzbar gemacht werden. Dies hat zu einer 1000-fach höheren Taktfrequenz und einem 30-mal kleineren Flächenverbrauch eines 6-bit DAC im Vergleich zu den bislang besten Resultaten geführt.
OTFT-Anwendungen
Der organische Dünnfilmtransistor (OTFT) wird als Basistechnologie für künftige flexible Elektronikprodukte gewertet. Dazu gehören flexible Displays (so genanntes elektronisches Papier), diagnostische Verbände für die medizinische Überwachung und Biowissenschaften, Funketiketten (RFID-Tags), die als intelligente Barcodes verwendet werden können, intelligente Fahrkarten und intelligente Leitsysteme. Die OTFT-Fertigungstechnologie unterscheidet sich deutlich von der Mikroelektronikfertigung. Flexible Elektronik wird mit der Rolle-zu-Rolle-Drucktechnologie gefertigt, wie sie bei Papierdruckprozessen genutzt wird und die über einen hohen Durchsatz verfügt. Es besteht sogar die Aussicht, dass sich elektronisches Papier künftig einmal durch den Einsatz von Tintenstrahldruckern fertigen lässt, die denen im Büroalltag ähneln. Während flexible Elektronik vielleicht einen erheblichen Teil des Niedrigkosten-Elektronikmarkts erobern kann, wird sie wegen mangelnder Leistung und Integrationsdichte nicht mit der Mikroelektronik konkurrieren können. Aufgrund dessen werden künftig vermutlich Hybridlösungen entstehen, die großflächige organische Elektronik mit dünnen flexiblen Siliziumchips verbinden können. Daher ist der Bedarf an einer organischen elektronischen Transistortechnologie, die mit der gleichen Versorgungsspannung arbeitet wie die Mikroelektronik, außerordentlich groß.
Übersicht Max-Planck-Institut für Festkörperforschung - Gruppe Organische Elektronik
Die Organic Electronics Group wurde 2005 gegründet. Der Forschungsbereich konzentriert sich auf neue funktionale organische Materialien sowie auf die Fertigung und Charakterisierung von organischen und elektronischen Bauteilen im Nanobereich, z. B. leistungsstarke organischen Dünnfilmtransistoren, Feldeffekttransistoren aus Kohlenstoff-Nano-Röhrchen (carbon nano tubes) usw. Die wissenschaftliche Arbeit im Bereich organischer Elektronik ist interdisziplinär und umfasst das Design, die Synthese und Verarbeitung von funktionalen organischen und anorganischen Materialien, die Entwicklung von fortschrittlichen Mikround Nanofertigungstechniken, Bauteile- und Schaltungsdesign sowie Material- und Bauteilecharakterisierung. www.fkf.mpg.de/oe/
IEEE International Solid State Circuits Conference (ISSCC 2011): http://isscc.org/
Auf dieser Konferenz zeigen Wissenschaftler des Instituts für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) und des Max Planck Instituts (MPI) für Festkörperforschung in Stuttgart, die Ergebnisse ihrer gemeinsamen Anstrengungen, die zu den derzeit schnellsten Schaltkreisen basierend auf organischer Elektronik geführt haben. Ein wesentlicher Aspekt dieses Resultats ist die Verwendung von Silizium-Stencilmasken. Die Wissenschaftler präsentieren einen 6-bit digital-analog Wandler (DAC) in organischer Dünnfilmtransistortechnologie (OTFT), die dank der Anwendung der neuartigen Stencilmasken in der Herstellung zu 1000-mal schnelleren und 30-mal kleineren Schaltkreisen geführt hat, als es bisher auf dem Gebiet der OTFT möglich war.
OTFT Herstellung mit Stencilmasken
Diese "OTFT by stencil mask technology" genannte Herstellungsmethode bringt die Entwicklung organischer Dünnfilmtransistoren entscheidend weiter: Forscher der beiden Institute IMS CHIPS und MPI haben sich zusammengeschlossen, um die kleinsten und schnellsten organischen Dünnfilmtransistoren, die je in einem industrietauglichen Fertigungsprozess hergestellt wurden, zu realisieren. Die Gruppe um Dr. Hagen Klauk vom MPI ist international führend in der Forschung und Entwicklung organischer Dünnfilmtransistoren (OTFT) mit einem besonderen Schwerpunkt auf Niederspannungsprozessen (<5 V). Das ist der Spannungsbereich, in dem auch konventionelle Mikrochips betrieben werden. Im Gegensatz dazu werden die meisten internationalen Designs von OTFTs für den Hochspannungsbereich (>50 V) entwickelt, in dem OTFTs vergleichsweise schnell reagieren. Neben der Versorgungsspannung wird die Transistorgeschwindigkeit größtenteils durch die Kanallänge des Transistors bestimmt, die sich über den Gatekontakt steuern lässt. Je kürzer der Kanal, desto schneller der Transistor. Bis vor kurzem nutzte die Gruppe um Dr. Hagen Klauk die Verdampfung von Materialien durch eine Kunststofflochmaske, die durch einen Laserschnitt strukturiert wird. Die Mindestkanallänge für diese Strukturierungstechnik ist 20 ?m. IMS CHIPS unter der Leitung von Prof. Joachim Burghartz ist weltweit führend im Bereich Nanostrukturierung. Das Team um Dr. Florian Letzkus bei IMS CHIPS ist in der Lage, Siliziummembran-Stencilmasken mit Detailauflösungen bis hinab zu 100 nm herzustellen, abhängig von der Dicke der Membran. So wurden Stencilmasken mit einer Transistorkanallänge von weniger als 1 ?m gefertigt, die der Gruppe am MPI die Möglichkeit bot, Transistoren mit einem 20-fach kürzeren Kanal als dies bisher möglich war, zu fertigen.
Diese Transistoren können 100-mal schneller schalten, als die OTFTs, die mit Kunststofflochmasken hergestellt wurden. Ein weiterer Erfolg war die mechanische Qualität der Silizium- Stencilmasken, die gleichzeitig über hervorragende Festigkeit und Stabilität verfügen. Bei den Transistoren wurden deshalb im gesamten Maskenbereich sehr konsistente Eigenschaften erzielt.
Dadurch wurde ein Entwurf der Schaltkreise vergleichbar dem der siliziumbasierten Mikrochips möglich. Im Gegensatz zu den Stencilmasken aus Silizium zeigen die Kunststofflochmasken eine faltige Oberfläche und lassen sich nicht vollständig planar an das Substrat anlegen. Dadurch entsteht eine sehr merkliche Varianz der Bauteilemerkmale, die die Auswahl an möglichen Schaltungsstrukturen deutlich senkt.
Im Schaltungsentwurf können sowohl die sehr viel höhere Schaltgeschwindigkeit der Transistoren als auch die Konsistenz deren Eigenschaften nutzbar gemacht werden. Dies hat zu einer 1000-fach höheren Taktfrequenz und einem 30-mal kleineren Flächenverbrauch eines 6-bit DAC im Vergleich zu den bislang besten Resultaten geführt.
OTFT-Anwendungen
Der organische Dünnfilmtransistor (OTFT) wird als Basistechnologie für künftige flexible Elektronikprodukte gewertet. Dazu gehören flexible Displays (so genanntes elektronisches Papier), diagnostische Verbände für die medizinische Überwachung und Biowissenschaften, Funketiketten (RFID-Tags), die als intelligente Barcodes verwendet werden können, intelligente Fahrkarten und intelligente Leitsysteme. Die OTFT-Fertigungstechnologie unterscheidet sich deutlich von der Mikroelektronikfertigung. Flexible Elektronik wird mit der Rolle-zu-Rolle-Drucktechnologie gefertigt, wie sie bei Papierdruckprozessen genutzt wird und die über einen hohen Durchsatz verfügt. Es besteht sogar die Aussicht, dass sich elektronisches Papier künftig einmal durch den Einsatz von Tintenstrahldruckern fertigen lässt, die denen im Büroalltag ähneln. Während flexible Elektronik vielleicht einen erheblichen Teil des Niedrigkosten-Elektronikmarkts erobern kann, wird sie wegen mangelnder Leistung und Integrationsdichte nicht mit der Mikroelektronik konkurrieren können. Aufgrund dessen werden künftig vermutlich Hybridlösungen entstehen, die großflächige organische Elektronik mit dünnen flexiblen Siliziumchips verbinden können. Daher ist der Bedarf an einer organischen elektronischen Transistortechnologie, die mit der gleichen Versorgungsspannung arbeitet wie die Mikroelektronik, außerordentlich groß.
Übersicht Max-Planck-Institut für Festkörperforschung - Gruppe Organische Elektronik
Die Organic Electronics Group wurde 2005 gegründet. Der Forschungsbereich konzentriert sich auf neue funktionale organische Materialien sowie auf die Fertigung und Charakterisierung von organischen und elektronischen Bauteilen im Nanobereich, z. B. leistungsstarke organischen Dünnfilmtransistoren, Feldeffekttransistoren aus Kohlenstoff-Nano-Röhrchen (carbon nano tubes) usw. Die wissenschaftliche Arbeit im Bereich organischer Elektronik ist interdisziplinär und umfasst das Design, die Synthese und Verarbeitung von funktionalen organischen und anorganischen Materialien, die Entwicklung von fortschrittlichen Mikround Nanofertigungstechniken, Bauteile- und Schaltungsdesign sowie Material- und Bauteilecharakterisierung. www.fkf.mpg.de/oe/
IEEE International Solid State Circuits Conference (ISSCC 2011): http://isscc.org/
