#Elektronik zum Verbiegen

Das Silicon Valley in Kalifornien ist nach wie vor der bedeutend­ste High-Tech-Standort weltweit. Seit den Siebzigerjahren haben sich im Santa-Clara-Tal unweit von San Francisco Halbleiterhersteller, Elektronikkonzerne und Computerunternehmen sowie innovative Start-ups angesiedelt. Der Name der Region beruht auf dem Grundmaterial für die klassische Mikroelektronik und jedes Computers, dem Halbleiter Silizium. Doch den klassischen Halbleitern ist in den vergangenen Jahren mächtige Konkurrenz erwachsen: organische Moleküle mit halbleitenden Eigenschaften. Diese Materialien ermöglichen Anwendungen, die dem spröden und starren Silizium und den verwandten Substanzen wie Germanium und Galliumarsenid verwehrt sind: großflächige und biegsame Bildschirme und Photovoltaik-Bauteile, intelligente Etiketten und Textilien oder Sensoren, die sich an die Haut anpassen.

Halbleitende Kunststoffe wurden erstmals genauer untersucht, als das Silicon Valley gerade an Fahrt aufnahm. Inzwischen haben sie längst das Laborstadium verlassen und sind in vielen Anwendungen anzutreffen. Organische Leucht­dioden (OLEDs) und organische Solarzellen waren die ersten kommerziellen Produkte. Wie Silizium können die organischen Halbleiter, die aus mehreren dotierten Schichten aufgebaut sind, Licht in elektrische Energie oder elektrische Energie in Licht umwandeln. Der Mechanismus ist dabei der gleiche: Photonen erzeugen in dem Material Elektronen und positiv geladene Löcher und umgekehrt. Was die organischen Bauteile ihren anorganischen Pendants allerdings voraushaben: Sie lassen sich schnell und preisgünstig als dünne Schicht auf großen Flächen aufbringen. Infrage kommen Glas, Folie, Papier und Textilen. Das hat neue Anwendungen ermöglicht, etwa aufrollbare Lichtquellen oder durchsichtige Solarfolien, mit denen etwa Fensterscheiben beklebt und so als Stromquellen genutzt werden können.

Schnelle organische Elektronik für neue Display-Technik

An der Technischen Universität Dresden werden seit einigen Jahren die Eigenschaften der organischen Halbleiter und deren Anwendungsmöglichkeiten unter anderem von der Arbeitsgruppe um Karl Leo intensiv erforscht. Die Forschungsaktivitäten haben inzwischen eine ganze Reihe von Ausgründungen ermöglicht. Karl Leo, der für sein Lebenswerk kürzlich den Europäischen Erfinderpreis des Europäischen Patentamts erhalten hat, spricht daher gerne vom „Organic Valley“, wenn er das Dresdner Elbtal meint – mit 17 Forschungseinrichtungen und etwa 40 Firmen ist der Standort zum größten Cluster für organische Elektronik in Europa geworden.

Ein Forschungsschwerpunkt an der TU Dresden liegt derzeit auf dem zentralen Bauelement der Mikroelektronik, dem Transistor. Konventionelle Computerchips aus Silizium weisen eine unübertroffene Integrationsdichte auf: Milliarden von Transistoren werden in Form feinster Strukturen in Siliziumscheiben geätzt. Die Elektronen bewegen sich in nur wenige Nanometer engen vertikalen Kanälen. „Diese Miniaturisierung ist mit Kunststoff wenig sinnvoll, da die Stärken des Materials auf anderen Gebieten liegen, nämlich dort, wo Flexibilität gefragt ist, Transparenz oder biologische Abbaubarkeit“, sagt Leo.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines jeden Transistors ist unter anderem, wie schnell er zwischen zwei Zuständen hin- und herschalten kann. Die klassischen Bauteile erreichen Schaltraten von einigen Gigahertz. Diesen Kennwert konnten Leo und seine Kollegen für organische Transistoren in den vergangenen Jahren enorm steigern. Zu verdanken ist das einem neuen Konzept, das auf einem vertikalen Aufbau basiert. Die Komponenten des Transistors – Kollektor, Basis und Emitter — sind schichtweise übereinandergestapelt, und die Elektronen fließen senkrecht durch das Substrat. Diese Architektur nutzt die Vorteile der typischen Herstellungsverfahren – dünne Filme verschiedener organischer Substanzen werden aufgedampft oder aufgedruckt. Das führt zu kurzen vertikalen Kanälen, in denen die Ladungsträger fließen. Auf diese Weise gelang es den Dresdner Forschern zuletzt, sehr hohe Schaltfrequenzen von bis zu 100 Megahertz zu erreichen und die Beweglichkeit der Ladungsträger zu erhöhen. Wie die Forscher in den „Nature Communications“  berichten, haben sie die Transistoren zu logischen Gattern – den elementaren Schaltkreisen jeden ­Mikroprozessors – verknüpfen können.