Individuele siliciumchips uit Saksen voor materiaalkarakterisering voor gedrukte elektronica

Enkele OFET-Substrate van het Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Gesneden OFET-Substrate van het Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

OFET-Substrat des Fraunhofer IPMS als Wafer. © Fraunhofer IPMS / OFET-Substrate vom Fraunhofer IPMS als Wafer. © Fraunhofer IPMS

OFET-Substrat des Fraunhofer IPMS im Waffle-Pack. © Fraunhofer IPMS / OFET-Substrate von Fraunhofer IPMS in einem Waffle-Pack. © Fraunhofer IPMS

Hoe krachtig zijn nieuwe materialen? Leidt een verandering in eigenschappen tot een betere geleidbaarheid? Bij het Fraunhofer-Instituut voor Photonische Mikrosystemen IPMS worden daarvoor ontworpen silicium-ondergronden ontwikkeld en vervaardigd. Hiermee wordt de fundamentele elektrische materiaalkarakterisering mogelijk gemaakt, zoals bijvoorbeeld van een nieuwe grafenemulsie. Individuele ontwerpen maken het mogelijk om zowel halfgeleider- als geleidingsmaterialen te meten.

Organische halfgeleiders zijn sleutelcomponenten in organische elektronica en fotovoltaïek. Ze worden gebruikt voor de productie van flexibele elektronische apparaten en gedrukte zonnecellen. Typisch voor deze materiaalklasse zijn processen bij lage temperaturen en de grootschalige afzetting en structuurvorming met verschillende coating- en druktechnieken. De actieve halfgeleidermaterialen bepalen in belangrijke mate de prestaties van het gehele systeem. Daarom is een eenvoudige en betrouwbare elektronische karakterisering van geleidbaarheid, ladingdragermobiliteit, contactweerstand en de on-/off-stroomverhouding van deze halfgeleiders een essentiële voorwaarde voor materiaalkundigen en procestechnologen.

Het Fraunhofer IPMS ontwikkelt en produceert silicium-ondergronden met individuele transistorstructuren in bottom-gate architectuur, die worden gebruikt voor de productie van organische veld-effecttransistors (OFET's) of voor de karakterisering van elektrische materiaaleigenschappen van geleidingsmaterialen, bijvoorbeeld voor organische fotovoltaïek.

Projectleider Thomas Stoppe legt uit: „Op het gebied van R&D zijn onze ondergronden al gevestigd bij internationale onderzoeksinstellingen. We willen nu meer inzetten op klantgerichte oplossingen en ontwikkelen de technologie continu verder om ook beter aan de eisen van industriële partners te kunnen voldoen. Vooral op het gebied van organische elektronica bestaat een sterk groeiende markt en onze ondergronden maken gerichte, eenvoudige en reproduceerbare metingen van elektrische eigenschappen van halfgeleiders en geleidingsmaterialen mogelijk.“

De mogelijkheden voor materiaalkarakterisering werden gedemonstreerd met recente resultaten, zoals het onderzoek naar een commerciële grafenemulsie. Deze resultaten worden gepresenteerd op de iCampus-Cottbus Conferentie iCCC2024 in mei 2024 in Cottbus en daarna gepubliceerd in het vakblad Journal of Sensors and Sensor Systems.

Van 9 tot 12 april worden de ontwikkelde chips gepresenteerd op de vakbeurs „analytica“ in München. Geïnteresseerde gebruikers hebben op stand A3.407 van het Fraunhofer IPMS de gelegenheid om met experts in gesprek te gaan. Hiervoor kunnen vooraf afspraken worden gemaakt via de website van het Fraunhofer IPMS.

Voordelen van de ondergronden van het Fraunhofer IPMS

De toegang tot de bestaande microsystemtechnologie van het Fraunhofer IPMS biedt belangrijke voordelen, waaronder de uiterst nauwkeurige en reproduceerbare productie van de chips en de flexibele aanpassing van de technologie aan de individuele behoeften van de doeltoepassing. Zo zijn verschillende materiaalkombinaties en klantgerichte aanpassingen van elektrodenstructuren of dielectrische diktes mogelijk. Dit maakt hoogwaardige gate-oxiden met diktes van 28 nm tot 320 nm mogelijk, wat resulteert in extreem lage gate-lekkstromen tot in het lagere pA-bereik en zo tot uiterst nauwkeurige metingen leidt. Om invloeden van het afzetproces te onderzoeken, worden verschillende oriëntaties van de transistorstructuren voorzien.

De productie vindt plaats in een cleanroom op siliciumwafers met thermisch siliciumdioxide (SiO2). Een gepatenteerde indium-tin-oxide (ITO)-laag fungeert als hechtingslaag voor goud, wat de betrouwbaarheid, precisie en reproduceerbaarheid verbetert en het gebruik van deze ondergronden mogelijk maakt voor uitgebreide kwaliteitscontrole in kleine en grote chemiebedrijven.