Development of Fully Printed Oxide Electronics for Flexible Substrates
Creators: name: Singaraju, Surya Abhishek
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Printed Electronics
Flexible Electronics
Fully Printed
Transistor

description: Mit dem Erscheinen des Internets der Dinge (IoT) und dem Wunsch Alltagsgegenständeintelligenter zu machen, steigt die Nachfrage an mechanisch flexiblen oder in Textilien integrierbare Sensoren dieser nächsten Generation. Schon jetzt werden unzählige dieser Sensoren benötigt, um den immer größer werdenden Bedarf zu decken. Aus diesem Grund sind kostengünstige Herstellungsprozesse, die eine großflächige Herstellung auf einem flexiblen Substrat erlauben von Interesse. Das Drucken funktionaler Tinten erlaubt die Herstellung kostengünstiger elektronischer Bauteile auf flexiblen Substraten. Das vollständige Drucken von elektronischen Bauelementen hat in den letzten zwei Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen, dank einfacher und kostengünstiger Skalierung dieser gedruckten Bauelemente. Um den komplexen Anforderungen zukünftiger Sensoren gerecht zu werden müssen gedruckte elektronische Elemente wie beispielsweise Kondensatoren oder Transistoren auf flexiblen Substraten, integriert werden. Flexible, überwiegend p-leitende, organische Halbleiter sind bis zum jetzigen Zeitpunkt weit verbreitet, sind aber unter normalen Umgebungsbedingungen instabil und weisen eine geringe Ladungsträgerbeweglichkeit auf. Metalloxide, die ebenfalls n-leitende Halbleiter sind, können die Nachteile von organischen Materialien überwinden und zudem auf flexiblen Substraten, wie z.B. PET oder PEN aufgebracht werden. Nichtsdestotrotz wird die Herstellung von vollständig gedruckten Schaltungen auf flexiblen Substraten von vielen verschiedenen Faktoren beeinflusst. Insbesondere ist es wichtig, dass die Bauteile auf dem Substrat haften, kompatibel mit anderen elektronischen Bauelemente und die Prozesstemperaturen auf das Substrat abgestimmt sind. Auch der Einfluss von Leistungsparametern wie der Ladungsträgerbeweglichkeit, der mechanischen Stabilität oder der Reproduzierbarkeit sind nicht zu vernachlässigen. Die elektronischen Komponenten einer Schaltung beinhalten elektrisch leitende Elemente (Elektroden und elektrische Verbindungen), die leitende Tinten wie Silber oder Graphen), Halbleiter basierend auf Metalloxiden (ZnO, In2O3) und elektrische Isolatoren wie beispielsweise als Gate-Dielektrikum dienende Elektrolyte benötigen. Daher müssen die zuvor aufgeführten Materialien unter Berücksichtigung der physikalischen Gegebenheiten des Substrates in einem Druckprozess integriert werden. Des Weiteren müssen die chemische und elektrische Kompatibilität aller Komponenten berücksichtigt werden, um die Leistung der gedruckten Schaltung zu maximieren. Daher liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf der Entwicklung von gedruckten (Metall)Oxid-Transistoren und Logikgattern auf flexiblen Substraten. Insbesondere auf die Architektur der Transistoren wird hierbei eingegangen. Durch ein Elektrolyt isolierte Transistoren, mit Indiumoxid als aktiven Semikonduktor und den durch konduktive Graphentinte realisierten Elektroden und elektrischen Verbindungen als passive Komponenten, werden vollständig auf ein Glassubstrat gedruckt. Verschiedene Transistorarchitekturen werden analysiert, um Kontaktwiderstände und chemische Reaktionen zu minimieren und gleichzeitig die aktive Fläche im Halbleiter zu maximieren. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Schlüsselparametern der gedruckten Transistoren wie beispielsweise Kapazitäten, Schaltgeschwindigkeit, Ein-, Ausschaltströme und Schwellwertspannung, die für eine große Anzahl an Transistoren analysiert wird. Die Isolation der Transistoren mit einem Elektrolyten erlaubt es, die eingesetzten Versorgungsspannungen auf 1 V zu reduzieren und als gedruckte Batterien zur Spannungsversorgung einzusetzen. Diese Transistoren zeigen mit nur 0.33Ωcm einen deutlich niedrigeren Kontaktwiederstand als Transistoren mit konventionellem Dielektrikum. Um die Transistoren für den potentiellen Einsatz in elektronische Schaltungen zu untersuchen, werden Logikgatter in Form von Invertern in der Widerstands-Transistor-Logik (TRL) gedruckt und analysiert. Um diese Gatter auf ein mechanisch flexibles Polyamid Substrat zu drucken, wird besondere Aufmerksamkeit auf die Vorbereitung des Substrats und die Ermittlung kritischer Parameter wie die Signalverstärkung und Signallaufzeiten gelegt. Die Signalverstärkung von 3.5 ist für diese Inverter identisch zu Invertern welche auf unflexiblen Substrate gedruckt sind. Des Weiteren wird die mechanische Flexibilität von Indiumoxid auf dem Polyamidsubstrat über mehrere Zyklen hinweg untersucht. Abschließend, für die Kompatibilität mit den PEN-Substrate wird die Prozesstemperatur vom Indiumoxid reduziert. Das Formen eines Indiumoxid-Films wird dabei durch optische anstatt thermischen Methode erzielt, wodurch die Prozesszeit von 2 Stunden auf etwa 20 Millisekunden reduziert werden kann. Zusammenfassend beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung von vollständig gedruckten elektronischen Bauelementen, die auf Metalloxiden basieren und die auf preisgünstigen Plastiksubstraten prozessiert werden., Diese Entwicklung ebnet den Weg für den zukünftigen Einsatz in digitalisierten und role-to-roll kompatiblen elektronischen Anwendungen wie Großraum Displays und tragbaren Sensoren.