Vertikale elektrolyt-gesteuerte organische Transistoren

Kommerziell erhältliche Feldeffekttransistoren (FET) sind im Allgemeinen unbiegsam/steif und teuer in der Herstellung. Daher ist ihr Einsatz in z.B. flexibler Elektronik, wie Displays und Sensoren, begrenzt. Organische Halbleiter hingegen sind vielversprechende Bauelemente für eine derartige, neuartige flexible Elektronik.

Herausforderung

Eigenschaften, die bei der Diskussion organischer Materialien normalerweise nicht in den Sinn kommen, sind hohe Stromdichten im MA cm-2-Bereich, große Übertragungswirkleitwerte im M-1-Bereich von 5000 S, Kleinstleistungs-Betrieb oder niedrige Versorgungsspannungen im Sub-Volt-Bereich. Werte dieser Größenordnung waren bisher hochintegrierten, nanoskaligen Transistoren vorbehalten. Organische Transistoren können derzeit nur bei Stromdichten von zehn kA cm-2 betrieben werden. Obwohl solche hohen Stromdichten im MA cm-2-Bereich entscheidend für die Realisierung integrierter Hochleistungselektronik sind, ist der Kleinstleistungs-Betrieb für den Betrieb in Handheld-Geräten oder in neuronalen Netzen entscheidend.

Unsere Lösung

Die vorliegende Patentanmeldung präsentiert ein neuartiges, nanoskopisches Bauelementdesign, das auf einer vertikalen Transistorstruktur basiert, die es elektrolyt-gesteuerten organischen Halbleitern ermöglicht, MA cm-2-Ströme in Kombination mit Ein/Aus-Verhältnissen von 108 anzutreiben. Im vorliegenden Ansatz wird ein vertikales organisches Feldeffekttransistor (VOFET)-Design mit einer Kanallänge von nur 40 nm und einem Footprint von 2 x 80 x 80 nm2 verwendet, um eine hohe elektrische Leistung mit organischen Polymeren unter Verwendung von Elektrolyt-Gating zu realisieren. Die geringe Kanallänge und Stellfläche erlauben prinzipiell den Einsatz solcher Geräte in hochintegrierten Schaltkreisen. Durch die Kombination der hohen Einschaltströme mit so großen Ein-/Aus-Verhältnissen sind die vorgestellten organischen Transistoren erstklassige Kandidaten für den Einsatz in künstlichen neuronalen Netzen, wo sie als memristive Bauelemente mit einem Energieverbrauch von unter 100 fJ arbeiten könnten.

Patterning of the bottom (a) and top (b) electrodes by electron-beam lithography. (c) HF under-etching of the top electrode. (d),(e) Spin-coating of the organic semiconductor solution (OSC) and subsequent directional oxygen reactive ion etching. (f) fully finished transistor with electrolyte gate. (g) Polarization microscopy image of a finished VOFET without electrolyte gate. (h) Coloured cross-sectional SEM image of a VOFET with two gold electrodes (yellow), SiO2 spacer (blue) and OSC (green).Abb. 1: Herstellungsprozess von elektrolyt-gesteuerten VOFET: Musterung der unteren (a) und oberen (b) Elektroden durch Elektronenstrahllithographie. c) HF-Unterätzen der oberen Elektrode. (d),(e) Rotationsbeschichtung der organischen Halbleiterlösung (OSC) und anschließendes gerichtetes Sauerstoff-reaktives Ionenätzen. f) Vollständig fertiger Transistor mit Elektrolyt-Gatter. (g) Polarisationsmikroskopische Aufnahme eines fertigen VOFET ohne Elektrolyt-Gate. h) Farbige REM-Querschnittsabbildung eines VOFET mit zwei Goldelektroden (gelb), SiO2-Abstandhalter (blau) und OSC (grün). Nachdruck (angepasst) mit Genehmigung von Lenz et al., Nature Nanotechnology 14 (2019) 579 - 585. Urheberrecht 2019 Springer Nature.

Vorteile

Die in dieser Patentanmeldung vorgestellte Idee schließt die Lücke zwischen bestehenden organischen VOFET und etablierten, kommerziell erhältlichen FET. Die beschriebenen, neuartigen VOFET kombinieren die Fähigkeit zum Niederspannungsbetrieb (bis hinunter zu 10 μV) mit einer geringen Stellfläche (2 x 80 x 80 nm2), großen Ein-/Aus-Verhältnissen (108), hoher Schaltgeschwindigkeit (1,2 MHz), Langzeitstabilität der elektrischen Leistung und dem Einsatz von Elektrolyt-Gating. Das kompakte Design und die Flexibilität der verwendeten organischen Materialien ermöglichen die Integration in flexible Elektronik wie Displays und Sensoren. Die gemessenen Schaltenergien liegen bereits unter dem, was derzeit in neuromorphen CMOS-Geräten verwendet wird, und nur eine Größenordnung größer als die 10 fJ pro Ereignis, die im Gehirn verwendet werden.

Fig. 2: Closing the gap between existing organic VOFETs and commercial FETs: Comparison of on-state current densities and on/off ratios for different vertical and planar transistors. Work within the scope of this patent application is shown in green.Abb. 2: Schließen der Lücke zwischen bestehenden organischen VOFET und kommerziellen FET: Vergleich von On-State-Stromdichten und Ein/Aus-Verhältnissen für verschiedene vertikale und planare Transistoren. Arbeiten im Rahmen dieser Patentanmeldung sind grün dargestellt. Nachdruck (angepasst) mit Genehmigung von Lenz et al., Nature Nanotechnology 14 (2019) 579 - 585. Urheberrecht 2019 Springer Nature.

Anwendungsbereiche

  • Anwendungen, bei denen niedrige Spannungen, hohe Betriebsstromdichten oder große Übertragungswirkleitwerte erforderlich sind (z.B. Ansteuerung von OLEDs, Sensoren oder Memristoren)
  • Flexible Displays wie AMOLEDs und Ultra-Low-Power-Elektronik, wie sie z.B. für memristive Geräte in künstlichen neuronalen Netzen erforderlich sind

Entwicklungsstand

Das Herstellungsverfahren wurde erfolgreich entwickelt. Die Funktionalität der Transistoren wurde erfolgreich getestet.

Patentsituation

Internationales Patent: WO2020120133A1
US Patent: US20220115609A1
Patentinhaberin: Georg-August-Universität Göttingen Stiftung Öffentlichen Rechts

Weiterführende Informationen

Nature-Publikation: Lenz et al.: Vertical, electrolyte-gates organic transistors show continuous operation in the MA-2 regime and artificial synaptic behaviour. Nature Nanotechnology 14, 579–585 (2019).

Kontakt

Dr. Mirza Mackovic
Patentmanager Technik
E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Tel.: +49 551 30724 153
Referenz: CPA-2317-SUG
www.sciencebridge.de

Tags: Nanotechnologie, Physik und Technik & Software

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