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Fig. 1: Schema eines OTFT
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2010 - Martin Kaltenbrunner
Flexible and Stretchable Electronics: From Single Devices to Stand-Alone Systems
Dissertationsprojekt:
Forschungsaufenthalt am Sekitani-Someya Lab, Department of Electrical Engineering, University of Tokyo, Japan
30.09.2010 – 13.03.2011
Martin KALTENBRUNNER
Contact: vorname.nachname(/\t)jku.at
Nach meiner Ankunft in Tokyo und einem ersten Kennenlernen der Arbeitsgruppe um Prof. Someya folgte eine kurze Einschulungsphase am Equipment in den Laboren und im Reinraum.
Die Hauptexpertise des Sekitani-Someya Labs liegt in der großflächigen Integration organischer Elektronikbauelemente wie Transistoren, Sensoren, Aktuatoren sowie komplexer Schaltungen auf flexiblen und dehnbaren Substraten. Dabei kommen verschiedene Produktionsverfahren wie screen- und inkjet printing, spin-coating, chemical vapour deposition, thermal evaporation, usw. zum Einsatz.
Ein wesentlicher Ausgangsbaustein vieler Halbleiterschaltungen, seien es nun Sensorarrays, Inverter, Ringoszillatoren, Speicher oder Aktuatoren, ist der Transistor. Im Gebiet der organischen Elektronik sind dies zumeist Organic Thin Film Transistors (OTFT’s). Abbildung 1 zeigt schematisch den Aufbau eines OTFT.
Dabei regelt eine am Gate angelegte Spannung den Stromfluss durch den Transistor über die Source- und Drain Anschlüsse. Von besonderer Bedeutung ist dabei, den Gate Anschluss mittels geeignetem Dielektrikum vom darüber liegenden Halbleiter elektrisch zu isolieren, um parasitäre Leckströme zu vermeiden. Für eine gute Performance des Bauelements und aller darauf aufbauenden Strukturen soll diese Isolationsschicht möglichst dünn und elektrisch dicht sein.
Während meines Aufenthalts in Japan ist es mir gelungen, ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung ultradünner Isolationsschichten aus Aluminiumoxyd auf verschiedensten Polymersubstraten wie beispielsweise Polyamid (PI), Polyethylennaphthalat (PEN) und Polyethylenterephthalat (PET) umzusetzen. Dadurch konnten die Isolationseigenschaften des Dielektrikums wesentlich verbessert werden, ohne die Flexibilität der Bauelemente negativ zu beeinflussen. Da diese elektrochemische Anodisierung von Aluminium zur Herstellung der Gate-Dielektrika keine Vakuumanlagen benötigt und bei Raumtemperatur abläuft, eignet sich der Prozess zudem besonders gut für eine kostengünstige industrielle Fertigung.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen habe ich mich im weiteren Verlauf meines Aufenthaltes auf organische Flash Memorys auf dünnen, hochflexiblen Plastiksubstraten konzentriert. Ein Flash-Memory besteht im Wesentlichen aus einem Transistor wie in Abbildung 1, jedoch mit einem zusätzlichem floating gate oberhalb des control gates. Bei einem solchen Bauelement sind insbesondere die Isolationseigenschaften der Dielektrika von Bedeutung, vor allem, um die Speichereigenschaften zu verbessern. Durch anlegen von geeigneten Spannungen kann nun Information gespeichert sowie wieder Ausgelesen werden.
Fig. 2: a) Transferkennlinie eines Memorys b) Zeitlicher Verlauf des Speicherfensters
Abbildung 2 a) zeigt die Verschiebung der Transferkennlinie eines solchen Speicherelements auf PEN Substrat nach anlegen der Schreib- bzw. Löschspannung. Ein Speicherfenster von 2.4 V ist deutlich zu erkennen. In Abbildung 2 b) ist der zeitliche Verlauf dieses Speicherfensters dargestellt. Die hier gezeigten Ergebnisse stellen eine Verbesserung der Speichereigenschaften im Bezug auf frühere Arbeiten [1] um zwei Größenordnungen dar. Dieser wesentliche Fortschritt ist auf die verbesserten Isoliereigenschaften der Dielektrika zurückzuführen und bringt derartige Memory-elemente und großflächige Arrays ihrer Anwendung in Verbraucherprodukten einen Sprung näher.
Das von mir während meines Aufenthaltes am Sekitani-Someya Lab umgesetzte Verfahren bietet zudem eine breite Basis für weitere Anwendungen sowie eine fortgesetzte intensive Kooperation zwischen der Abteilung Physik weicher Materie, dem Institut für Chemische Technologie Anorganischer Stoffe sowie dem Institut für Physikalische Chemie an der Johannes Kepler Universität und dem Sekitani-Someya Lab an der Universität Tokyo.
[1] T. Sekitani, T. Yokota, U. Zschieschang, H. Klauk, S. Bauer, K. Takeuchi, M. Takamiya, T. Sakurai, T. Someya, , “Organic Nonvolatile Memory Transistors for Flexible Sensor Arrays”, Science 326, 1516-1519 (2009)
Gegen Ende meines Aufenthaltes ereignete sich leider am 11. März 2011 ein starkes Erdbeben mit nachfolgendem Tsunami, welches schwere Verwüstungen entlang der Ostküste Japans verursachte. Durch den anschließenden Reaktorunfall in Fukushima-Daiichi kam es zu weitreichenden Stromausfällen auch im Großraum Tokyo. Davon wurden auch die Einrichtungen der Universität Tokyo stark beeinträchtigt. Die Laboratorien meines Gastinstitutes wurden daraufhin für einen mehrwöchigen Zeitraum abgeschaltet.
Aufgrund dieser Ereignisse war ein weiterer Verbleib in Tokyo für mich nicht mehr möglich, und ich musste meinen Aufenthalt leider einige Tage früher als ursprünglich geplant abbrechen.
Mein tiefstes Mitgefühl und Bedauern gilt den vielen Opfern dieser Tragödie sowie deren Hinterbliebenen und Landsleuten, welche selbst im Angesicht dieser Katastrophe stets gefasst, höflich und hilfsbereit bleiben.
Dennoch war der Aufenthalt in Japan für mich persönlich sowie beruflich und wissenschaftlich ein voller Erfolg. Ich konnte die Beziehungen zwischen unseren Instituten weiter vertiefen sowie neue Kooperationen aufbauen. Aus diesem Aufenthalt werden in den nächsten Monaten sicherlich für meine Ausbildung sehr wertvolle wissenschaftliche Publikationen hervorgehen. Ein weiterer Aufenthalt in Tokyo im Herbst 2011 ist bereits geplant, um die begonnene Arbeit fortzusetzen.
Abschließend bedanke ich mich an dieser Stelle noch einmal herzlich bei den Institutionen, welche mir diesen Auslandsaufenthalt und die damit erworbenen Kenntnisse und Erfahrungen ermöglicht haben!