Dünnschichttransistoren

Vermessung von flexiblen TFTs unter Biege- und Zugbelastung

Die Anforderungen an Displays bzw. Touchscreens wachsen in der heutigen Zeit stetig: Sie sollen flexibel, bieg- und rollbar sein. Für solche Anwendungen müssen jedoch hohe optische, elektronische und mechanische Eigenschaften erfüllt werden. Am Fraunhofer IST wurde deshalb ein neuer Messplatz entwickelt, der es ermöglicht, flexible Elektronikbauteile zu untersuchen. Für die zukünftige »Wearable«-Elektronik ist dies ein wichtiges Messinstrument, um Vorhersagen über die Haltbarkeit der flexiblen Bauteile treffen zu können.

© Foto Fraunhofer IST, Tjhay Weyna Boentoro

Der Aufbau zur Messung flexibler Elektroden an gebogener und gedehnter Folie.

© Foto Fraunhofer IST

Vergleich des Drain-Stroms mit der Drain-Source-Spannung eines Transistors bei verschiedenen Gate-Source-Spannungen und Biegeradien.

© Foto Fraunhofer IST

Vergleich der Drain-Strom – Drain-Source-Spannungs-Kennlinien eines Transistors (Biegeradius 4 mm) bei zunehmender Dehnung von 0,2%, 0,3 %, 0,6 %, 0,8 % und 1,5 %.

Messaufbau

Der Aufbau zur Vermessung der Eigenschaften flexibler Elektronik unter Belastung durch Biegung und Dehnung ist in nebenstehender Abbildung dargestellt. Als Proben dienen 50 mm große Folienflächen mit den applizierten Dünnschichttransistoren, die beidseitig mit je einer Klemme befestigt werden. An einer der Klemmen befinden sich zwei Federn mit definierter Federkonstante, mit deren Hilfe eine definierte Längenänderung eingestellt werden kann. Eine Biegevorrichtung im mittleren Teil des Aufbaus erlaubt es darüber hinaus, die gedehnte Folie zusätzlich mit Radien im Bereich von 2 – 10 mm zu biegen. Auf diese Weise werden die Dünnschichttransistoren (TFTs) definierten Zug- und Biegebelastungen ausgesetzt, unter denen dann Messungen der elektrischen Eigenschaften erfolgen können.

Verhalten der Dünnschichttransistoren (TFTs) im gebogenen und ausgedehnten Zustand

Die Eigenschaften eines Dünnschichttransistors, die unter Biegebelastung mit Radien von 3, 4 und 10 mm gemessen wurden (ohne Dehnung), werden im nebenstehenden Diagramm verglichen. In diesem Stadium der Verformung weist die Kennlinien-Charakteristik der TFTs nur geringe Änderungen auf. In der nächsten Stufe wurden die auf dem flexiblen Substrat (Radius 4 mm) gebogenen TFTs zusätzlich im gedehnten Zustand vermessen. Beispielhaft werden hier die Strom-Spannungsmessungen vorgestellt. Beginnend im relaxierten Zustand wurde die Dehnung zunächst schrittweise erhöht (0,2 % – 0,3 % – 0,5 % – 0,8 % – 1,5 %) und anschließend sukzessiv wieder verringert.

Die Kennlinie der TFTs weisen bei zunehmender Dehnung bis 0,8 % Längenänderung keine wesentlichen Veränderungen auf. Ab einer Dehnung von 1,5 % wird der Transistor beschädigt. Allerdings kann dieser sich bei abnehmender Dehnung bis zu einem gewissen Grad wieder erholen, vorausgesetzt, es sind noch keine Risse aufgetreten. Eine plastische Deformation (ohne Risse) der TFTs oder des Substrats kann folglich die Funktionsfähigkeit des Bauteils nicht beeinträchtigen.

Ausblick

Mit dem erfolgreichen Aufbau des Messplatzes wurden die Voraussetzungen geschaffen, um künftig am Fraunhofer IST die mechanische Stabilität von Dünnschichttransistoren unter verschiedenen Biege- und Zugbelastungen zu optimieren.

Das Projekt

Die Entwicklung des Messaufbaus wurde im Rahmen des EU-Forschungsprojekts ORAMA realisiert, verwendet und durch die Europäische Kommission im 7. EU-Forschungsprogramm gefördert.