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UDE-Forscher ermöglicht druckbare Halbleiter - Aus der Tablette in den Fernseher

27.07.2011
Heutige TFT-Displays – beispielsweise Fernseher – sind in ihrer Herstellung noch recht teuer und können nur mithilfe stark umweltschädlicher Gase produziert werden. Dr. Simon Bubel vom Center for Nanointegration (CeNIDE) an der Universität Duisburg-Essen (UDE) hat eine Alternative gefunden, den entscheidenden Bestandteil des Transistors herzustellen. Die Idee stammt aus der Medizin.

Bei der klassischen Herstellung von thin-film transistors (TFT), zu Deutsch „Dünnschichttransistoren“, werden Gase in amorphes Silizium umgewandelt. Bei diesen Gasen handelt es sich vor allem um hochexplosive Silane, die bei Freisetzung giftige Stoffe erzeugen. Die Technologie ist zudem vergleichsweise teuer, daher forscht man seit Längerem an Alternativen.

Um das Silizium zu ersetzen, bietet sich das ausreichend vorhandene, transparente und gesundheitlich unbedenkliche Zinkoxid (ZnO) an. Doch hatte das bisher einen ärgerlichen Nachteil: Ionisierter Sauerstoff aus der Luft lagert sich aufgrund der Coulomb’schen Anziehung an die Oberfläche des ZnO an und verändert dessen Leitfähigkeit. Da die als Halbleiter fungierende Zinkoxidschicht in TFTs nur rund 10 Nanometer dick ist – also 10.000-mal dünner als ein durchschnittliches menschliches Haar – besteht sie quasi nur aus Oberfläche.

Eine veränderte Leitfähigkeit derselben ist hierbei natürlich fatal: „Bei im Fernseher eingesetzten TFTs könnte das beispielsweise dazu führen, dass sich die Bildhelligkeit verändert, je nachdem, ob gerade eine Schlechtwetterfront im Anmarsch ist oder wir ein stabiles Hoch haben“, erklärt Dr.-Ing. Simon Bubel. Als Halbleiter in TFTs eingesetzt, soll ZnO aber genau das bleiben: ein Halbleiter. Hier lag bisher die Herausforderung.

Weniger umweltschädlich, druckbar und leistungsfähiger
Nun entdeckte Bubel die Lösung des Problems in einer ganz anderen Branche: Polyvinylpyrrolidon, kurz PVP, wird in der Medizin unter anderem als Bindemittel in Tabletten, als Stabilisator in Augentropfen und in Wundsalben eingesetzt. Mischt man rund 25 Nanometer große Zinkoxidpartikel mit PVP und einem Lösungsmittel, so entsteht eine gleichmäßige Dispersion, die sich zu dünnen Halbleiterschichten ausdrucken lässt. Das teurere und energieintensive „Sputtern“, bei dem die ZnO-Atome durch Beschuss mit energiereichen Ionen zunächst in die Gasphase übergehen müssen, entfällt so ganz. Zudem setzt sich das PVP ausgerechnet an jene Kristalloberflächen des ZnO, die mit dem Luftsauerstoff reagieren würden. Damit verhindert es die Bildung der atmosphärischen Adsorbate und stabilisiert so die Halbleitereigenschaften der Schicht.

Mit seiner Entdeckung hat der 32-jährige Bubel Zinkoxid-Halbleiter mehr als konkurrenzfähig gegenüber Silizium-Transistoren gemacht. Denn neben der deutlich besseren Umweltbilanz in der Herstellung sind ZnO-TFTs auch deutlich leistungsfähiger: Bisher leuchten Pixel in Displays nicht eigenständig, sondern werden von ihren Transistoren entweder transparent oder lichtundurchlässig geschaltet, sodass Licht aus einer Hintergrundbeleuchtung hindurchfällt oder eben nicht. Für deutlich dünnere und günstigere Displays arbeitet die Forschung daher an selbstleuchtenden Pixeln. Die klassische Silizium-Technologie stößt hierbei schon früh an ihre Grenzen, denn sie transportiert nicht genug Strom – wohl aber die Zinkoxid-Transistoren, deren Elektronenbeweglichkeit bis 200-mal höher ist als die der Silizium-Varianten.

Es zeichnet sich also ab, dass Bubels Erkenntnisse in Zukunft über die Display-Technologie hinaus neue Möglichkeiten eröffnen werden. Seine Forschungsergebnisse hat er soeben im „Journal of Materials Science“ publiziert (DOI 10.1007/s10853-011-5757-4).

Weitere Informationen:
CeNIDE, Birte Vierjahn, Tel. 0203/379-1456, birte.vierjahn@uni-due.de

Beate Kostka | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-due.de

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