Bild eines 5-stufigen komplementären Ringoszillators, der aus organischen permeablen Basistransistoren besteht. (Dr. Erjuan Guo)

 

Organische Elektronik vielleicht bald im Gigahertz-Bereich Forscher am Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Dresden stellen die erste Implementierung einer komplementären vertikalen organischen Transistortechnologie vor, die bei niedriger Spannung arbeiten kann, über einstellbare Invertereigenschaften verfügt und eine Abfall- und Anstiegszeit von jeweils weniger als 10 Nanosekunden aufweist. Mit dieser neuen Technologie sind sie nur noch einen Steinwurf von der Kommerzialisierung einer effizienten, flexiblen und druckbaren Elektronik der Zukunft entfernt.

 

Der Kommerzialisierung von flexibler, nachhaltiger und druckbarer Elektronik steht derzeit noch die vergleichsweise schlechte Performance der Bauteile im Weg. Daher wird die Entwicklung von komplementären Schaltungen mit niedriger Spannung, hoher Verstärkung und hoher Frequenz als eines der wichtigsten Ziele der aktuellen Forschung auf diesem Gebiet angesehen. Hochfrequente Logikschaltungen, wie Inverterschaltungen und Oszillatoren mit geringem Stromverbrauch und schneller Reaktionszeit, sind die wesentlichen Bausteine für großflächige, stromsparende, flexible und druckbare Elektronik der Zukunft. Die Arbeitsgruppe „Organische Bauelemente und Systeme“ (ODS) des Instituts für Angewandte Physik (IAP) der TU Dresden unter Leitung von Dr. Hans Kleemann arbeitet an der Entwicklung neuartiger organischer Materialien und Bauelemente für eine leistungsfähige, flexible und möglicherweise sogar biokompatible Elektronik und Optoelektronik. Die Steigerung der Leistungsfähigkeit organischer Schaltungen ist eine der zentralen Herausforderungen in ihrer Forschung. Erst vor einigen Monaten konnte Doktorandin Erjuan Guo einen wichtigen Durchbruch mit der Entwicklung von effizienten, druckbaren und einstellbaren vertikalen organischen Transistoren vermelden.

 

Aufbauend auf ihren bisherigen Erkenntnissen demonstrieren die Physiker nun erstmals vertikale organische Transistoren (organic permeable base transistors, OPBTs), die in funktionale Schaltungen integriert sind. Dr. Hans Kleemann und seinem Team gelang damit der Nachweis, dass solche Bauelemente eine zuverlässige Performance, Langzeitstabilität sowie noch nie dagewesene Leistungsmaße besitzen. "In früheren Arbeiten haben wir herausgefunden, dass die zweite Steuerelektrode in der vertikalen Transistorarchitektur einen weiten Bereich der Schwellenspannungssteuerbarkeit ermöglicht, was solche Bauelemente ideal für effiziente, schnelle und komplexe Logikschaltungen werden lässt. In der aktuellen Publikation fügen wir der Technologie ein wichtiges Merkmal hinzu, indem wir komplementäre Schaltungen wie integrierte komplementäre Inverter und Ring-Oszillatoren demonstrieren.

 

Mit solchen komplementären Schaltungen lassen sich die Leistungseffizienz und die Arbeitsgeschwindigkeit um mehr als eine Größenordnung verbessern. Das könnte möglicherweise den Eintritt der organischen Elektronik in den Gigahertz-Bereich ermöglichen", erklärt Erjuan Guo, die mittlerweile ihre Promotion an der TU Dresden mit Auszeichnung absolviert hat.

 

Die am IAP entwickelten komplementären Inverter und Ringoszillatoren stellen einen Meilenstein auf dem Weg zu einer flexiblen, stromsparenden GHz-Elektronik dar, wie sie zum Beispiel in drahtlosen Kommunikationsanwendungen benötigt wird. "Darüber hinaus könnten unsere Ergebnisse die gesamte Forschungsgemeinschaft dazu inspirieren, alternative vertikale organische Transistordesigns ins Auge zu fassen, da sie gleichzeitig einen Hochfrequenzbetrieb und eine kostengünstige Integration ermöglichen", ergänzt Erjuan Guo begeistert.

 

Originalveröffentlichung

Erjuan Guo, Shen Xing, Felix Dollinger, René Hübner, Shu-Jen Wang, Zhongbin Wu, Karl Leo, Hans Kleemann. 'Integrated complementary inverters and ring oscillators based on vertical-channel dual-base organic thin-film transistors', Nature Electronics.

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00613-w