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Mit Silizium konkurrieren können halbleitendePolymere aufgrund ihrer deutlich schlechterenelektrischen Eigenschaften zwar nicht. Daherwird es auf absehbare Zeit auch keinen „Plas-tik-Computer“ geben. Sie ermöglichen abereine „Wegwerf-Elektronik“ aus Plastik-Chips,die sich durch Drucken herstellen lassen undBereiche erobern werden, in denen heute nochkeine Elektronik zu finden ist. Dazu gehört zum Beispiel der elektronische Strichcode aufVerpackungen – der Plastik-Chip auf der Chips-Tüte.

D ie rasante Entwicklung der Mikroelektronik, diefast alle Bereiche des täglichen Lebens entschei-dend geprägt und verändert hat, begann mit der

Erfindung des Halbleitertransistors 1947. Der Erfolgder Mikroelektronik beruht letztlich auf dem raffinier-ten Umgang mit halbleitenden Kristallen, allen voranSilizium. Neben Silizium gibt es nur wenige halbleiten-de Materialien, die wie z. B. Galliumarsenid (GaAs) inopto-elektronische Bauelementen ebenfalls eine wirt-schaftliche Bedeutung erlangt haben.

Organische Halbleiter und Leiter, deren Entdeckermit dem Chemie-Nobelpreis im Jahr 2000 ausgezeich-net wurden, öffnen nun ganz neue Perspektiven für dieMikroelektronik. In der Herstellung bieten organischeHalbleiter und Leiter enorme Vorteile, da viele von ih-nen in Lösung, d. h. flüssig verarbeitet werden könnenund nicht als hochreine Kristalle vorliegen müssen.Daher lässt sich organische Elektronik durch Druckenherstellen, wodurch extrem preisgünstige Anwendun-gen möglich sind. Allerdings bewegen sich die La-dungsträger durch organische Halbleiter wesentlichlangsamer als durch Silizium, weshalb organischeSchaltkreise auch deutlich langsamer sind. Neben denbereits existierenden organischen Leuchtdioden undder Umkehrung des Effektes in organischen Photovol-taikzellen beinhalten gerade Plastik-Chips (Abb. 1),aufgebaut aus organischen Transistoren, ein großesPotenzial für neue Produkte, das in seiner Fülle nochnicht abzusehen ist. Dazu gehören z. B. elektronischeFunketiketten als Ersatz für den Barcode.

Was ist ein organischer Transistor?Ein Feld-Effekt-Transistor (FET) besteht im Wesent-

lichen aus vier verschiedenen Komponenten: einemelektrisch leitenden, einem isolierenden und einem

halbleitenden Material sowie einem Substrat als Träger.Ein FET wird schon dann als „organisch“ bezeichnet,wenn nur die halbleitende Schicht aus organischenMolekülen oder Polymeren besteht, obwohl alle Kom-ponenten durch organische Materialien ersetzt werdenkönnen.

Die Bezeichnung „organischer Transistor“ ist somitnicht klar definiert, sondern ein Sammelbegriff fürhöchst unterschiedliche Konzepte: vom Transistor mitnur einem organischen Halbleiter bis hin zum voll-organischen Transistor [1]. Diese verschiedenen Kon-zepte lassen sich unterscheiden nach dem Halbleiter-material (kleine Moleküle oder Polymere, Abb. 2b),nach dem Anteil der anorganischen Komponenten(Substrat, Isolator, Elektroden) und nach dem Aufbau(Gate-Elektrode oben oder unten, engl. top gate, bot-tom gate).

Ein weit verbreitetes Konzept basiert auf einem leit-fähigen Silizium-Wafer als Substrat und gleichzeitigGate-Elektrode und einer darüber liegenden SiO2-Schicht als Isolator. Auf dieser Schicht werden dieSource- und Drain-Elektroden aus Gold strukturiertaufgebracht. Die organische Halbleiterschicht wird alsoberste Schicht aufgedampft (z. B. Pentacen) oder auf-geschleudert (z. B. Polythiophen). Mit diesem Aufbaulassen sich Halbleiterschichten zwar gut charakterisie-ren, aber für praktische Anwendungen werden Kon-

Polymerphysik

Vom organischen Transistor zum Plastik-Chip

Integrierte Schaltungen auf Polymerbasis könnten einmal den Alltag revolutionieren.

Wolfgang Clemens und Walter Fix

Dr. Wolfgang Cle-mens, Dr. Walter Fix,Siemens AG, Corpo-rate Technology CTMM1, Paul-Gossen-Str. 1, 91052 Erlan-gen; E-Mail: wolfgang.clemens@siemens.com, walter.fix@siemens.com

Physik Journal2 (2003) Nr. 2© 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1617-9439/03/0202-31 $17.50+50/0

Abb. 1: So könnte einTransponder-Chipaus „Plastik“ aus-sehen, mit demsich zum Beispieldie Waren an derSupermarktkasseberührungsloserfassen ließen.

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zepte benötigt, die eine einfache und sehr schnelleHerstellung integrierter Schaltungen auf flexiblen Sub-straten ermöglichen.

Ziel sind daher vollorganische Systeme, deren Kom-ponenten sich aus der Lösung heraus verarbeitenlassen, z. B. durch Drucktechniken. Benötigt werdendafür organische Leiter mit einer möglichst hohen

elektrischen Leitfähigkeit (Abb. 2a), organischeHalbleiter mit einer möglichst hohen Ladungsträgerbe-weglichkeit (Abb. 2b und c) und gute Isolatoren. Einegroße Herausforderung liegt dabei in der Kombinationgeeigneter Materialien und Lösungsmitteln, die sichnicht gegenseitig angreifen oder auflösen.

Funktionsweise eines organischen Transistors Die grundlegende Funktionsweise organischer Tran-

sistoren ist sehr einfach und mit der herkömmlicherDünnfilm-Transistoren (TFT) vergleichbar (Abb. 3).Ohne angelegte Gate-Spannung fließt kein Strom zwi-schen Source- und Drain-Elektrode, da die Halbleiter-schicht undotiert und damit nichtleitend ist. Mit ange-legter Gate-Spannung entsteht ein sehr dünner, leit-fähiger Kanal an der Grenzschicht Halbleiter/Isolatordurch Akkumulation von Ladungsträgern, sodass einStrom von Source- zur Drain-Elektrode fließen kann.Die Stromhöhe hängt ab von der Gate-Spannung, diedie Zahl der Ladungsträger bestimmt, sowie von derLadungsträgerbeweglichkeit, also einer Materialeigen-schaft, die ein Maß für die Ladungsträgergeschwindig-keit ist.

Alle bisherigen organischen Transistoren beruhenauf dem Prinzip der Ladungsträger-Akkumulation. ImGegensatz dazu basieren anorganische Transistorenfast ausschließlich auf der Ladungsträger-Inversion,d. h. zwischen zwei n-dotierten Bereichen (Source- undDrain-Elektrode) befindet sich eine p-dotierte Schicht.In dieser wird mit der Gate-Elektrode ein n-Kanalerzeugt (das ist die Inversion), und es fließt Strom von Source nach Drain. Bisher ist es in organischenHalbleitern noch nicht gelungen, eine Ladungsträger-Inversion zu beobachten.

Ein weiterer Unterschied liegt im Typ der Ladungs-träger: bei Si oder GaAs haben Elektronenleiter diebesseren Eigenschaften, bei organischen Halbleitern istes umgekehrt. Lochleiter oder p-Typ-Halbleiter könnenden Strom schneller leiten und sind außerdem wesent-lich stabiler als n-Typ-Halbleiter. Daher sind die meis-ten organischen FETs p-Typ-Transistoren.

Schließlich unterscheiden sich anorganische undorganische Halbleiter auch hinsichtlich des physikali-schen Mechanismus’ des Ladungstransports. Währenddieser bei Silizium gut verstanden ist, kann davon beiPolymerschichten keine Rede sein. In Silizium oderanderen kristallinen Halbleitern können sich dieLadungsträger praktisch frei bewegen; ihre Wechsel-wirkung mit dem periodischen Kristallpotential drücktsich allein in einer effektiven Masse aus. In Polymerendagegen legt jedes Loch einen komplizierten Weg ineinem nicht-periodischen System zurück. Die Löcherkönnen sich nur entlang der Polymerketten bewegenund müssen an ihrem Ende zum nächsten Polymer tun-neln. Daher ist die räumliche Anordnung der Polymerefür den Transport sehr wichtig; ein höherer Ordnungs-grad führt zu höheren Ladungsträgerbeweglichkeiten[2]. Noch fehlt es an grundlegenden experimentellenund theoretischen Arbeiten, um diesen Transport imDetail zu verstehen.

Die Schaltgeschwindigkeit eines Transistors ist begrenzt durch die Laufzeit der Ladungsträger von derSource-Elektrode durch den Kanal zur Drain-Elektro-de. Das Maß für die Ladungsträgergeschwindigkeit proelektrischem Feld ist die Beweglichkeit m der Ladungs-träger. Je kürzer die Kanal-Länge L und je höher dieLadungsträgerbeweglichkeit, desto schneller schaltendie Transistoren, wobei die Kanal-Länge sogar quadra-tisch eingeht. Für die maximale Schaltfrequenz fmax

gilt: fmax � m · Uds / L2 (mit Drain-Source SpannungUds).

Während die Kanal-Länge durch die Prozesstechnikbegrenzt wird, ist die Ladungsträgerbeweglichkeit imWesentlichen eine Materialeigenschaft, die aber auchvom Ordnungsgrad im organischen Halbleiter abhängt.Die bisher höchsten Löcher-Beweglichkeiten von etwa2 cm2/Vs wurden in aufgedampften kleinen organi-schen Molekülen (Pentacen) beobachtet, in Polymerenliegen sie typischerweise zwischen 10–4 und 0,1 cm2/Vs(zum Vergleich: kristallines Silizium hat Löcher-Be-weglichkeiten bis 500 cm2/Vs, vgl. Abb. 2b).

Abb. 2:�� a) Vergleich derelektrischen Leit-fähigkeit organi-scher Materialienmit Kupfer�� b) Vergleich derLadungsträgerbe-weglichkeit organi-scher Halbleitermit amorphem (a-Si), polykristalli-nem (poly-Si) undkristallinem(krist.-Si) Silizium �� c) Polythiophenist das meist ver-wendete halblei-tende (p-Typ)Polymer.

Abb. 3: Schematischer Querschnitt durch einen Polymer-Transistor(PFET). Typische Schichtdicken sind dabei für das Polyester-foliensubstrat 100 mmm, für die Elektroden 40 nm, für denHalbleiter 50–100 nm und für den Isolator 300–1000 nm.

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Integrated Plastic Circuits – Plastik-ChipsZiel der Siemens-Gruppe ist die Herstellung voll-

polymerer integrierter Schaltungen mit schnellen Rol-le-zu-Rolle-Drucktechniken. Ein wichtiger Schritt aufdem Weg dahin war die Entwicklung eines Rapid-Pro-totyping-Verfahrens, das zwar auf konventionellen Pro-zesstechniken (d. h. Lithographie) basiert, aber Materi-al- und Systemtests in sehr kurzer Zeit ermöglicht. Mitdiesem Verfahren dauert die komplette Herstellung in-

tegrierter Schaltungen knapp zwei Stunden; inklusiveder Lithographie-Maskenerstellung benötigt eine kom-plette Chip-Generation weniger als eine Woche. Vergli-chen mit Silizium-Chips, deren Entwicklung pro Gene-ration mindestens zwei Monate dauert, kommt man beider Herstellung der Plastik-Chips mit wesentlich weni-ger und sehr viel einfacheren Prozessschritten aus.

Abbildung 3 zeigt den Aufbau eines Polymer-Transistors (PFET), der mittels Rapid-Prototyping her-gestellt wurde. Auf ein dünnes Substrat aus Polyester-Folie (PET) wird zunächst eine Goldschicht auf-gesputtert, um daraus lithographisch Source- undDrain-Elektrode zu strukturieren. Der Halbleiter, dasundotierte aber löcherleitende Polymer Polyalkylthio-phen, wird gelöst und aufgeschleudert. Ebenfalls durchAufschleudern wird die Isolatorschicht als gelöstesPolymer auf die Halbleiterschicht aufgebracht. LetzterProzessschritt ist das Sputtern und Strukturieren derGate-Elektrode wiederum aus Gold. Bei diesem Auf-bau sind zwar die Elektroden noch aus Metall, aber dieAustrittsarbeit von Gold stimmt sehr gut mit der vonorganischen Leitern wie Polyanilin oder PEDOT übe-rein, d. h. Gold ist ein sehr gutes Modellsystem für or-ganische Elektroden, was Messungen an vollpolymerenTransistoren bestätigen [3].

Elektrische Messungen an diesen PFETs zeigen einegute Sättigung des Drain-Source-Stromes und ein gutesOn/Off-Verhältnis (Abb. 4a). Beides, vor allem aberniedrige Off-Ströme sind wichtig für digitale Schaltun-gen. Aus der Übertragungskennline, d. h. dem Drain-Source-Strom über der Gate-Spannung (Abb. 4b), er-gibt sich eine Schwellenwertspannung Uth von +3 V.Oberhalb dieser Spannung ist der Transistor ausge-schaltet, darunter, also mit negativen Spannungen, be-

ginnt er einzuschalten. Wichtig ist, wie schnell er ein-schaltet, d. h. wie groß die Stromänderung pro Gate-Spannung ist. Diese Steigung (engl. transconductance)wird durch die Ladungsträgerbeweglichkeit und dieTransistorgeometrie bestimmt, d. h. aus der Messungder Steigung lässt sich bei bekannter Geometrie die Ladungsträgerbeweglichkeit bestimmen (Abb. 4b).

Einzelne Transistoren bilden zwar die Basis, abererst eine integrierte Schaltung, also die Verknüpfung

vieler Transistoren zu einer logischen Einheit, zu so genannten Integrated Plastic Circuits (IPC) oder „Pla-stik-Chips“, ist als kommerzielles Produkt geeignet.Nicht jeder Transistor mit einer „schönen“ Kennlinieist auch logiktauglich, also in einem Plastik-Chip ein-setzbar. Die einfachste integrierte Schaltung ist ein Inverter. Hierbei werden zwei Transistoren so zusam-mengeschaltet, dass aus einer niedrigen Eingangsspan-nung (logisch „0“) eine hohe Ausgangsspannung (lo-gisch „1“) erzeugt wird und umgekehrt. Wichtig ist, dasder Inverter das Eingangssignal verstärkt, aberlogiktauglich ist der Inverter erst, wenn mit demAusgangssignal der Eingang eines weiteren Invertersbetrieben werden kann. Das hängt im Wesentlichenvon der Lage der Schwellenwert-Spannung der Transis-toren ab.

Weitere logische Gatter entstehen aus dem Inverter,indem man zusätzlich einen Transistor parallel (NOR)oder in Reihe (NAND) zum Eingangstransistor schal-tet. Damit hat man alle Grundbausteine, die für inte-grierte Schaltungen nötig sind.

Wichtig bei der Anwendung solcher Schaltungen ist, dass eine unipolare und möglichst niedrige Versor-gungsspannung für ihren Betrieb ausreicht. Eine Schal-tung, die sowohl positive als auch negative Versor-gungsspannungen benötigt, ist nicht in low-cost-An-wendungen einsetzbar. Somit muss der Off-Strom imTransistor auch bei 0 Volt gemessen werden und nicht,wie vielfach praktiziert wird, bei hohen Gegenspan-nungen. Für den Aufbau von integrierten Schaltungenist neben den logikfähigen Transistoren auch ein weite-rer, bisher wenig beachteter Aspekt von essenziellerBedeutung: Es werden Vias benötigt, das sind Durch-kontakte von der unteren Elektrodenebene (Drain-Source) zur oberen Ebene (Gate). Nur so ist eine ent-sprechende Verschaltung der einzelnen Transistorenmöglich. Bei einfachen Schaltungen wie Invertern lässtsich dies im Labor noch realisieren, indem man dieSchaltung mit der Nadel durchsticht, doch integrierteSchaltungen mit vielen Transistoren setzen einen ent-sprechend schnellen Prozessschritt voraus.

Abb. 4:�� a) Transistor Ausgangskennlinie: der Drain-Strom in Abhän-gigkeit der Drain-Spannung mit der Gate-Spannung als Para-meter.�� b) Übertragungskennlinie (linke y-Achse): die Änderung desDrain-Stromes mit der Gate-Spannung und die daraus berech-nete Ladungsträgermobilität (rechte y-Achse)

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Der entscheidende Durchbruch in Richtung einer in-tegrierten Schaltung ist der Aufbau von Ringoszillato-ren. Hierbei wird eine ungerade Anzahl von Inverternso hintereinander geschaltet, dass der Ausgang jedesInverters mit dem Eingang des jeweils nächsten ver-knüpft wird. Der Ausgang des letzten Inverters wirdmit dem Eingang des ersten Inverters verbunden. Legtman eine Spannung an den Ringoszillator an, so gibt esdurch diese ungerade Inverterzahl keinen zeitlich sta-bilen logischen Zustand. Nun gibt es zwei Möglichkei-

ten: Entweder geht die Schaltung insgesamt auf einmittleres Niveau des Signals, dann ist sie nicht logik-fähig; oder sie beginnt zu oszillieren und macht da-durch ihrem Namen alle Ehre. Ein oszillierender Ring-oszillator setzt für einen Schaltungsaufbau in vielerHinsicht entscheidende Maßstäbe, denn � ein Oszillieren zeigt die Logikfähigkeit der Schal-tung; � die Spannung, bei der ein Ringoszillator anschwingt,kennzeichnet die minimal notwendige Versorgungs-spannung (so niedrig wie möglich); � aus der Ringoszillator-Frequenz lässt sich die Schalt-geschwindigkeit einer logischen Stufe bestimmen (sohoch wie möglich); und schließlich � charakterisiert das On/Off-Verhältnis (Symmetrie,Rauschen etc.) sowie die Form des Signals die Signal-qualität.

Abbildung 5 zeigt einen siebenstufigen Ringoszilla-tor aus PFETs mit Kanallängen von 2 und 5 mm [4].Die maximale Schaltfrequenz von 106 kHz wird beieiner Versorgungsspannung von 80 V erreicht, beiniedrigeren Spannungen ist der Ringoszillator ent-sprechend langsamer. Dies ist bisher die mit Abstandschnellste integrierte Schaltung, die auf einem organi-schen Halbleiter basiert [5–7]. Neben der Frequenz istdie Verzögerungszeit, die ein logisches Signal voneinem zum nächsten logischen Gatter benötigt (engl.stage delay), ein wichtiges Vergleichsmaß. Für eineSchwingung am Ausgang des Ringoszillators muss dasSignal zweimal durch alle Inverterstufen laufen: Beimersten Durchlauf ist am Ausgang eine „0“, beim zwei-ten eine „1“. Bei einer Frequenz von 106 kHz ergibtsich daraus bei sieben Stufen eine stage delay von0,67 ms, d. h. eine logische Schaltung, die auf solchenInvertern aufbaut, ließe sich extern mit 1,4 MHz Takt-frequenz betreiben.

Eine polymerbasierte Schaltung im MHz-Bereich istsomit möglich, jedoch wurde dies erst bei einer Span-

nung von 80 Volt erreicht, was für low-cost-Anwen-dungen noch viel zu hoch ist. Außerdem ist ein Litho-graphieprozess, um die Auflösung von 2 mm zu errei-chen, noch zu aufwändig. Allerdings zeigt dies dieprinzipiellen Möglichkeiten der Polymerelektronik. Fürreale Anwendungen, d. h. niedrige Spannungen undgrößere Kanalabstände (siehe unten), wird man mitFrequenzen im kHz-Bereich oder sogar darunter rech-nen müssen. Dies zeigt auch klar den Unterschied zurSiliziumelektronik, bei der heute GHz möglich sind.Doch für viele Anwendungen reichen niedrige Fre-quenzen vollkommen aus. Analog zur Frequenz istauch der Strom, den solch eine Schaltung treibenkann, vergleichsweise gering, somit ist kaum an einepreiswerte Hochleistungselektronik zu denken, son-dern eher an einfachere Logikschaltungen.

Stabilität der Polymer-SchaltungenDas Thema Stabilität oder Lebensdauer ist sicher

sehr kritisch für die meisten Anwendungen. Von orga-nischen Leuchtdioden (OLEDs) kennt man das Pro-blem des Degradierens leider nur zu gut, ebenso vonorganischen Transistoren.

Zu bedenken ist jedoch, dass bei den OLEDs insbe-sondere das Kathodenmetall, z. B. Kalzium degradiert.Solche unedlen Metalle werden bei Plastik-Chipsnicht eingesetzt, da hier (abgesehen von Gold im La-borstadium) keinerlei Metalle mehr verwendet wer-den. Ferner hat sich gezeigt, dass durch den oben be-schriebenen top-gate-Aufbau im PFET der Halbleiterschon intrinsisch durch den Isolator und das Gate ge-schützt ist. Dieser Aufbau ist wesentlich stabiler gegenäußere Einflüsse als der häufig verwendete bottom-gate-Aufbau, bei dem der Halbleiter frei an der Ober-fläche liegt.

Mit den PFETs und Plastik-Chips wurden schondiverse Untersuchungen bezüglich der Lebensdauerdurchgeführt. Sie sind erstaunlich stabil, auch ohneVerkapselung. So funktionieren zahlreiche Transisto-ren auch nach über zwei Jahren Lagerung in Laborat-mosphäre. Daneben zeigen verschiedene Temperatur-und Klimatests, wie diese Proben die Lagerung beieiner Temperatur von 85 °C und einer Luftfeuchtigkeitvon 85 % erfolgreich überstehen. Für konkrete Anwen-dungen müssen solche Versuche natürlich noch genau-er spezifiziert werden.

Abb. 6: Testmuster einer Leiterbahnebene, also einer wichtigen Funk-tionsschicht eines Plastik-Chips, die aus elektrisch leitenderDruckfarbe in einem Rolle-zu-Rolle Offset-Verfahren gedrucktwurde.

Abb. 5: �� a) Schaltplan des siebenstufigen Ring-oszillators mit Auskoppel-FET undStrom-Messgerät [2]�� b) Foto eines siebenstufigen integrier-ten PFET-Ringoszillators mit Goldelek-troden

�� c) Ausgangssignal des PFET-Ringoszil-lators mit 106 kHz (das entspricht einerVerzögerung von 0,67mms). Das annäherndsinusförmige Signal entsteht durch dasRC-begrenzte Umladen der Inverterstu-fen. Je mehr Stufen ein Ringoszillatorhat, desto rechteckiger wird das Signal.

b

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Diese Stabilität ist auch essenziell, da eine aufwän-dige Verkapselung ein K.-o.-Kriterium für alle low-cost-Anwendungen wäre.

Mit Druckprozessen zu kostengünstigenPlastik-ChipsDas oben beschriebene Lithographieverfahren zeigt

zwar schon, wie einfach die Plastik-Chips herzustellensind, jedoch lassen sich wirkliche low-cost-Anwendun-gen nur mit einem kontinuierlichen Herstellungs-verfahren realisieren, wie es bei Drucktechniken ein-gesetzt wird. Moderne Druckmaschinen können inwenigen Minuten eine Fläche bedrucken, die derJahresproduktion an Chips einer ganzen Silizium-Fabrik entspricht. Natürlich ist diese Rechnung zueinfach, aber dennoch eröffnen sich mit dem Einsatzkontinuierlicher Druckverfahren neue Welten in derElektronikherstellung. Diese Druckverfahren sind beiPlastik-Chips prinzipiell möglich, wenn lösliche Mate-rialien wie Polymere als „elektronische Tinte“ verwen-det werden. Anstelle der üblichen Farben wird danndie leitfähige, halbleitende und isolierende Polymer-tinte aufgedruckt.

Doch leider ist dieser Prozess nicht ganz so einfach,wie es zunächst erscheint. Die üblichen Druckverfah-ren sind für Bilder optimiert, die zur Betrachtung mitdem menschlichen Auge gedacht sind. Hierbei reicheneinerseits Auflösungen im Bereich von 100 mm aus undandererseits werden die Bilder durch einzelne neben-einander liegende oder nur leicht überlappende Bild-punkte zusammengesetzt, die im Auge „zusammen-wachsen“. Beim Drucken von Plastik-Chips herrschenganz andere Voraussetzungen: Zunächst werdendurchgängige Linienstrukturen für die Drain/Source-Elektroden mit Auflösungen im mm-Bereich benötigt.Der Halbleiter und der Isolator müssen als sehr dünne,homogene und defektfreie Schichten übereinanderlie-gen, und die Gatestruktur muss möglichst passgenauüber den Drain/Source-Strukturen aufgebracht wer-den. Dies sind enorme Anforderungen sowohl an dieMaschinen als auch an die Materialien.

Um diese zu erreichen, gibt es viele verschiedeneAnsätze. Bei Siemens wird in einem Zwischenschrittsolch ein Aufbau mit Tampon- und Siebdruckmethodenim Labormaßstab realisiert. Mit dem Tampondruckver-fahren, einem indirekten Tiefdruckverfahren, werdendie Drain/Source- und die Gate-Strukturen gedruckt,wobei sich Auflösungen bis etwa 20 mm erreichen las-sen. Dies reicht zunächst aus, um entsprechende Schal-tungen aufzubauen. Die Halbleiter- und Isolatorschich-ten werden typischerweise im Siebdruckverfahren ge-druckt, da hier keine besondere Auflösung nötig ist.

In einem weiteren Schritt sollen dann diese Ergeb-nisse auf kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Verfahren um-gesetzt werden, die eine low-cost-Produktion für neueMassenmärkte ermöglichen. Neben den niedrigen Pro-duktionskosten und dem hohen möglichen Volumenbieten solche Druckprozesse auch den Vorteil, durcheinen einfachen Austausch der Druckplatten innerhalbkurzer Zeit die Elektronik wechseln zu können. Somitwird es demnächst möglich sein, Elektronik in hohenVolumina in täglich änderbarer Ausführung zu drucken– wie heutzutage eine Zeitung. Prinzipiell ist auch eindigitaler Druck denkbar, bei dem sich jede Schaltungvon der zuvor gedruckten unterscheiden kann, ver-gleichbar mit Laser- oder Tintenstrahldruck.

AnwendungenAufgrund ihrer vergleichsweise geringen Perfomance

ist ganz klar davon auszugehen, dass die Plastik-Chipsnicht die Silizium-Elektronik verdrängen werden. Inabsehbarer Zukunft wird es keine Plastik-Computer ge-ben. Plastik-Chips werden aber überall dort zu findensein, wo sie Vorteile gegenüber herkömmlicher Elek-tronik haben. Diese Vorteile sind: � niedrige Kosten – also auch Einweg-Elektronikpro-dukte sind denkbar; � dünner flexibler Aufbau – die Chips können wie einePlastikfolie aufgeklebt oder integriert werden und neh-men keinen Platz weg; � kurze Entwicklungszeiten – die Elektronik lässt sichso schnell wie Druckerzeugnisse neu entwickeln.

Somit werden die Plastik-Chips voraussichtlich dortangewendet werden, wo heute noch keine Elektronikvorhanden ist, beispielsweise als intelligente Verpa-ckung, als elektronisches Spiel im Überraschungsei, als„wearable electronics“ in Kleidung oder auch als elek-tronischer Strichcode auf dem Joghurtbecher. Denkbarsind eine Vielzahl weiterer Produkte im Bereich derlow-cost-Elektronik, Sensorik oder Ansteuerung fle-xibler Bildschirme, aber das interessanteste Produktsind Funketiketten, auch Radio Frequency Identifica-tion Tags, kurz RFID-Tags, genannt. Hiermit lassensich über Funkwellen kontaktlos Informationen über-tragen. Solche Funketiketten sind heute schon vielfachim Einsatz z. B. als Ausweis in Sicherheitsbereichen.Am bekanntesten ist jedoch ihr Einsatz als kontaktlosauslesbarer Skipass [8].

Solche Funketiketten bestehen im Wesentlichen auseiner Spule, über die in induktiver Kopplung ein Sen-de/Lesegerät bei einer bestimmten Frequenz (typi-scherweise 125 kHz oder 13,56 MHz) Radiowellen ein-strahlt. Die Spule ist mit einem Kondensator auf dieentsprechende Resonanzfrequenz abgestimmt. Übereinen Gleichrichter wird beim Auslesen ein Chip mitLeistung versorgt, der dann seine gespeicherte Infor-mation über die Spule kontaktlos zurück an das Lese-gerät geben kann.

Funketiketten bieten also eine sicht- und kontakt-lose Informationsübertragung mit passiver Elektronik,d. h. ohne eigene Energieversorgung. Sie lassen sichdemnach unsichtbar in Checkkarten, Gehäuse, Ver-packung oder Kleidung integrieren und erobern auchin der heute schon erhältlichen konventionellen Versi-on mit Si-Chips zunehmend neue Märkte. Interessantwäre ihr Einsatz auch in der automatischen Produkti-on, in der Logistik, als elektronisches Ticket oder als

Abb. 7:Der Chip auf derChipstüte: BilligePlastik-Chipskönnten einmalden Strichcode aufVerpackungenersetzen.

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Ersatz für den elektronischen Strichcode im Super-markt. Jedoch lassen sich solche Anwendungen häufignur bei extrem niedrigen Herstellungskosten realisie-ren. Mit Plastik-Chips sind Funketiketten im Cent-Bereich denkbar.

Vielleicht müssen wir dann demnächst nicht mehrunsere Waren auf das Band an der Supermarktkasse le-gen, sondern können einfach mit dem gefüllten Waren-korb durch ein Lesegerät gehen, ähnlich dem Metallde-tektor beim Check-in im Flughafen. Solch ein Szenariolässt sich sogar noch weiter „spinnen“, wenn man be-denkt, dass auch im Kühlschrank ein Lesegerät inte-griert werden kann, das erkennt, welche Produktedarin sind und ob deren Haltbarkeitsdatum bereitsüberschritten ist. Prinzipiell ist es also möglich, dassGegenstände miteinander kommunizieren können. Insolchen Szenarien wird auch vom „Internet of things“oder „thing to thing“ gesprochen. Technisch möglich istdies bereits heute, aber erst mit low-cost-Elektronikwie Plastik-Chips kann es sich im Alltag durchsetzen.

AusblickDie organische Elektronik eröffnet mit dem Einsatz

von leitfähigen und halbleitenden Polymeren ein riesi-ges Feld neuer Anwendungen. Neben den organischenLeuchtdioden und den Solarzellen bieten gerade Pla-stik-Chips die Möglichkeit, viele neuartige elektroni-sche Produkte zu realisieren. Wenn sich die Preis- undPerformanceerwartungen erfüllen, lässt sich hiermit dieVision von der überall verfügbaren Elektronik realisie-ren. Die Polymerelektronik wird keine neuen Super-computer hervorbringen, sondern sich in Produktenmit intelligenten Verpackungen, elektronischem Papier,bis hin zum Plastik-Chip im Hemd und auf dem Jo-ghurtbecher zeigen.

Doch bis diese neue elektronische Revolution statt-finden kann, sind noch einige Hindernisse zu überwin-den. Besonders gefragt ist das physikalische Verständ-nis der Polymer-Transistoren, speziell des Ladungs-transports in Polymerschichten und des Einflusses derGrenzflächen auf die Transistoreigenschaften. Daraufaufbauend müssen Simulationsmodelle entwickelt wer-den, die als Grundlage für komplexe Schaltungen uner-lässlich sind. Ebenfalls ist eine weitgreifende Interdiszi-plinarität zwischen Physik, Chemie und Drucktechniknötig, um die derzeitigen Grenzen der Drucktechnik zuüberwinden, mit dem Ziel, die leistungsfähigen Schal-

tungen aus dem Labor mittels kontinuierlicher Rolle-zu-Rolle-Druckprozesse herzustellen.

Dieses Ziel lässt sich nur durch gemeinsame An-strengungen erreichen. Dann steht uns eine neue Artvon Elektronik zur Verfügung, die unser Leben invielen Bereichen vereinfachen kann.

DanksagungDer Dank gilt allen, die zu den beschriebenen Er-

gebnissen beigetragen haben, sowie dem BMBF, dasdurch Förderprojekte diese Entwicklung unterstützt.

Literatur[1] C. D. Dimitrakopoulos und D. J. Mascaro, IBM J.

RES. & DEV. 45 (1), 11 (2001)[2] H. Sirringhaus, P.J. Brown, R.H. Friend et al.,

Nature 401, 685 (1999)[3] H. Rost, A. Bernds, W. Clemens et al., Proc. Mat.

Week (CD veröffentlicht durch Werkstoff-Informa-tionsgesellschaft mbH, Frankfurt, ISBN 3-88355-302-6) (2001)

[4] W. Fix, A. Ullmann, J. Ficker et al., Appl. Phys.Lett. 81, 1735 (2002)

[5] G. H. Gelinck, T. C. T. Geuns und D. M. deLeeuw, Appl. Phys. Lett. 77, 1487 (2000)

[6] B. Crone, A. Dodabalapur, Y. Y. Lin et al., Nature403, 521 (2000)

[7] D. J. Gundlach, L. Zhou, J. A. Nichols et al.,IEDM, 34.1.1 (2001)

[8] U. Kilian, Physik Journal, Dezember 2002, S. 64

Wolfgang Clemens hat in Köln Physikstudiert und am Forschungszentrum Jü-lich über die Spektroskopie an dünnenmagnetischen Schichten promoviert.1995 ging er zu Siemens Corporate Tech-nology in Erlangen, zunächst als Postdocund seit 1996 als Festangestellter. Hierwar er bis Ende 1999 Projektleiter für

Magnetsensorik undseitdem für Polymer-elektronik.Walter Fix hat in Erlangen Physik undMathematik studiert und über optischeTransistoren promoviert. Seit Anfang2000 ist er bei Siemens CorporateTechnology im Projekt Polymerelektro-nik zuständig für Chip-Design undHerstellung integrierter Schaltungen.

Die Autoren