Forscher in Deutschland haben den ersten Bipolartransistor aus einem organischen Halbleiter entwickelt. Der neue Transistor zeichnet sich durch hervorragende Leistung, eine vertikale Architektur und eine hohe Differenzverstärkung aus und könnte Anwendungen in Hochleistungs-Dünnschicht- und flexibler Elektronik finden, wo Daten analysiert und mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden müssen.
Transistoren werden in der gesamten modernen Elektronik als Schalter verwendet, um den Fluss von Ladungsträgern – Elektronen oder Löchern – durch einen Stromkreis zu steuern. Bipolartransistoren sind etwas Besonderes, weil sie sowohl Elektronen als auch Löcher nutzen, und diese zusätzliche Fähigkeit bedeutet, dass sie gut für Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsanwendungen geeignet sind. Sie aus organischen statt anorganischen Halbleitern zu bauen, könnte Elektronikdesignern die Möglichkeit geben, solche Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsgeräte flexibel und transparent zu machen.
Ein Team unter der Leitung von Karl Leo of TU Dresden hat nun einen Schritt in Richtung dieses Ziels getan, indem es einen organischen Bipolartransistor aus hochgeordneten (kristallinen) Dünnfilmen eines organischen Halbleiters namens Rubren konstruiert hat. Dieses Material hat eine hohe Ladungsmobilität, was bedeutet, dass sich Ladungsträger extrem schnell und über große Entfernungen hindurch bewegen.
Schicht nach Schicht
Bipolartransistoren bestehen aus drei Anschlüssen, die durch halbleitende Materialien vom p- oder n-Typ getrennt sind. In den Geräten sind diese Halbleiter abwechselnd entweder in einer pnp- oder in einer npn-Konfiguration angeordnet.
Leos Gruppe hatte zuvor sowohl p- als auch n-Typ-Rubren-Filme hergestellt, aber in der neuesten Arbeit unternahmen sie den zusätzlichen Schritt, diese Filme auf einer sehr dünnen kristallinen Rubren-Schicht mit einer Dicke von etwa 20 nm zu konstruieren. Die Filme dienen dann als Keim für nachfolgende p- und n-Schichten sowie Schichten, die vom i-Typ sind, also weder n- noch p- sind und somit weder negative noch positive Ladungsträger tragen. „Während solche Filme schon früher hergestellt wurden, sind wir die ersten, die sie elektrisch dotieren und komplexe Gerätestapel realisieren“, erklärt Leo.
Gerätecharakterisierung
Die Forscher schätzen, dass die Übergangsfrequenz ihres neuen Geräts – im Wesentlichen ein Maß für seine Geschwindigkeit – 1.6 GHz beträgt. Dies ist viel höher als der Rekord für organische Feldeffekttransistoren (OFETs), der bei 40 MHz für ein vertikal konfiguriertes Gerät und 160 Hz für ein horizontal konfiguriertes Gerät liegt. Leo stellt jedoch fest, dass die Geschwindigkeit des Geräts pro Spannung ein relevanteres Maß für seine Leistung ist. „Hier ist das neue Gerät mit etwa 400 MHz/V fast hundertmal schneller als bisherige organische Transistoren“, sagt er.
Organische Transistoren erreichen neue Höhen
Außerdem erzählt Leo Physik-Welt dass die neuen Transistoren des Teams verwendet werden können, um einen wichtigen Geräteparameter für organische Materialien zu bestimmen: die Diffusionslänge der Minoritätsträger. Dieser Parameter, der für die Optimierung der Geräteeffizienz entscheidend ist, ist die Entfernung, die der Minoritätsträger (Elektronen in Halbleitern vom p-Typ; Löcher in Halbleitern vom n-Typ) zurücklegen kann, bevor er mit einem Träger mit entgegengesetzter Ladung rekombiniert. Bei Silizium kann diese Menge viele Mikrometer lang sein. Der Wert für organische Stoffe war viel geringer, aber in dieser Materialklasse war er im Grunde unbekannt, sagt Leo.
In den hochgeordneten Schichten, die in dieser Arbeit verwendet wurden, stellte das Team der TU Dresden fest, dass die Diffusionslänge der Minoritätsträger 50 nm betrug, lang genug, um die Transistoren gut funktionieren zu lassen. Leo betont jedoch, dass noch weitere Studien erforderlich sind, um festzustellen, welche Parameter des Materials diese Menge steuern und wie sie optimiert werden kann.
Den Forschern zufolge könnte der neue Transistor in Anwendungen wie der Signalverarbeitung und der drahtlosen Übertragung eingesetzt werden, bei denen Daten analysiert und mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden müssen. Sie arbeiten nun daran, den Leckstrom im Gerät zu reduzieren, was es ihnen ermöglichen würde, seine Betriebsgeschwindigkeit direkt zu messen. „Wir möchten die Anwendung der High-Ordered-Layer-Technik auch auf andere Geräte verallgemeinern“, verrät Leo.
Das Team beschreibt die Arbeit in Natur.
