Bild: C. Hohmann (NIM)

Ob im Handy, Kühlschrank oder Flugzeug: Transistoren sind überall, aber oft spezialisiert auf einen Spannungsbereich. Prof. Thomas Weitz (NIM) und sein Team haben jetzt einen nanoskopisch kleinen Transistor aus organischem Halbleitermaterial entwickelt, der bei niedrigen und hohen Strömen bestens funktioniert.

Transistoren sind Halbleiter-Bauelemente, die in elektrischen Schaltungen Spannungen und Ströme steuern. So wie viele elektrische Geräte immer leistungsfähiger und kleiner werden sollen, gilt dies auch für Transistoren. Bei anorganischen Bauelementen sind Abmessungen unter 100 Nanometer bereits Standard. Organische Halbleiter können hier noch nicht mithalten, denn ihre Leistung bezüglich des Ladungstransports ist deutlich geringer. Doch die organischen Strukturen bieten andere Vorteile. Sie lassen sich großindustriell drucken, die Materialkosten sind niedrig und sie können transparent auf flexible Oberflächen wie Folien aufgebracht werden.

Daher arbeiten Thomas Weitz und seine Gruppe intensiv an der Optimierung der organischen Transistoren. In ihrer aktuellen Publikation in Nature Nanotechnology präsentieren sie Transistoren, die durch ihren ungewöhnlichen Aufbau sehr klein, leistungsstark und vor allem anpassungsfähig sind. Über wenige Parameter können die Physiker beispielsweise bei der Herstellung steuern, ob die Struktur für hohe oder niedrige Stromdichten optimiert sein soll. „Hohe Ladungsträgerdichten sind eine Grundvoraussetzung, wenn man integrierte Hochleistungselektronik bauen möchte“, erklärt Thomas Weitz. „In neuronalen Netzwerken und tragbaren Geräten ist dagegen beispielsweise der Niedrigstrom- und Niedrigspannungsbetrieb essentiell.“

Ungewöhnliche Geometrie

Das Besondere ist die untypische Geometrie des Transistors in Kombination mit der Art des Gate-Materials, das für das An- und Ausschalten verantwortlich ist. In der Regel haben Transistoren eine planare Struktur, bei der die beiden Elektroden nebeneinander auf einem Trägermaterial liegen. In der neuen, vertikalen Konstruktion liegen zwei streifenförmige Elektroden gekreuzt übereinander.

An- und ausgeschaltet wird der Transistor über das sogenannte Elektrolyt-Gating, bei dem der gesamte Aufbau von einem Elektrolyten umspült wird. Daraus wandern je nach angelegter Spannung Ionen in das Halbleitermaterial hinein oder heraus und wirken so als Schalter.

Halbleiter nach Wunsch

Die Architektur des neuen Transistors erlaubt es den Physikern, zahlreiche Parameter zu ändern und somit die elektrischen Eigenschaften zu beeinflussen. Dazu gehören unter anderem die Breite der Elektroden, die Dicke des Halbleitermaterials sowie der Abstand der Elektroden. Auch ist die Funktionalität der neuen Transistorstruktur nicht abhängig von den gewählten Elektroden- oder Halbleitermaterialien, was durch eine vergleichbare Leistung für verschiedene Halbleiter gezeigt wurde. Zudem ist es bei der Herstellung solch nanoskopisch kleiner Transistoren einfacher, Elektroden- und Halbleitermaterial in sehr dünnen Schichten vertikal aufzutragen als beides exakt nebeneinander zu platzieren. Und die zuweilen empfindlichen Halbleiter können durch das Aufbringen im letzten Prozessschritt nicht durch die vorangegangenen Schritte beschädigt werden.

Vom klassischen Transistor zur künstlichen Synapse

„Unser Hauptziel war es, Bauteile zu entwickeln, die zwei Aufgaben kombinieren“, fasst Thomas Weitz zusammen. „Einerseits die Fähigkeit bei hohen Strömen als klassische Transistoren zu fungieren. Und andererseits bei Niedrigstrom arbeiten zu können.“ Mit ihrem neuen Ansatz ist ihnen das gelungen und entstanden sind vertikale organische Feld-Effekt-Transistoren mit exakt wählbaren Dimensionen und einem ionischen Gate.

Potentielle Einsatzgebiete wären organische LEDs oder Sensoren, denn hier werden niedrige Spannungen, hohe Ströme oder große Transkonduktanzen benötigt. Besonders interessant könnte die Verwendung in sogenannten memristiven Elementen sein. „Man kann sich einen Memristor als ein Element vorstellen, das sich beim Verarbeiten elektrischer Signale wie Neuronen verhält und seine Eigenschaften abhängig von dem Zustand, in dem es sich befindet, verändert“, erklärt Weitz. „Durch das genaue Anpassen der Geometrie unserer memristiven Elemente können diese für verschiedene Anwendungen wie beispielsweise Lernprozesse in künstlichen Synapsen eingesetzt werden.“

Die Forscher haben ihren Transistor bereits zum Patent angemeldet, damit er für die industrielle Anwendung weiterentwickelt werden kann. (BZ/IA)

Publikation:

Vertical, electrolyte-gated organic transistors show continuous operation in the MA/cm2 regime and artificial synaptic behaviour. Lenz J, del Giudice F, Geisenhof FR, Winterer F, Weitz RT. Nature Nanotechnology, 2019

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Weitz
Physics of Nanosystems
Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität München
Amalienstraße 54
D - 80799 München

Tel.: +49 (0) 89 – 2180 3569

E-Mail: thomas.weitz(at)lmu.de

Web: www.nanosys.physik.uni-muenchen.de/index.html