Mit der zunehmenden Digitalisierung in allen Lebens- und Arbeitsbereichen inklusive digitaler Kennzeichnung oder gar elektronischer Rückmeldungen von einzelnen Bauteilen oder Konsumartikeln stellt sich die Frage nach neuen Möglichkeiten, Schaltungen schnell und einfach zu produzieren. In diesem Zusammenhang muss auch die Massenproduktion von Transistoren, den Grundbausteinen elektronischer Logiken, neu überdacht werden, um die vergleichsweise aufwändige Produktion von Siliziumchips zu überwinden. Hierbei hat sich das Drucken elektronischer Elemente in den letzten Jahren als vielversprechende Methode hervorgetan. Leiterbahnen, Solarzellen oder Displays sind als gedruckte Elektronik bereits vielfach in industriellen Produktionsprozessen integriert worden.

Im Gegensatz dazu konnten bisher keine verlässlichen Prozesse für gedruckte Transistoren in industriellem Maßstab etabliert werden. Organische und anorganische Halbleiter- materialien haben oft diametral unterschiedliche Eigenschaften: organische Materialien sind in der Regel p-Halbleiter und warten mit einfacher Verarbeitbarkeit und mechanischer Flexibilität auf. Anorganische Systeme sind in der Regel n-Halbleiter, spröde und bedürfen hoher Prozesstemperaturen. Diese Nachteile anorganischer, insbesondere oxidischer Halbleiter, werden jedoch durch die oftmals wesentlich besseren elektronischen Eigenschaften und besserer Umweltstabilität ausgeglichen.

Um besonders niedrige Betriebsspannungen bei trotzdem ausreichend hohen Strömen zu erreichen, empfiehlt sich, die Polarisierung des Kanals über einen Elektrolyt statt eines Dielektrikums umzusetzen, da die Ausbildung von Helmholtz-Doppelschichten lokal sehr starke Felder erlaubt. So können Bauteile mit typischen Spannungen kommerziell verfügbarer Batterien betrieben werden.

Im Rahmen dieser Arbeit konnten erfolgreich neue und verbesserte Methoden für die Darstellung gedruckter Feldeffekttransistoren umgesetzt werden, die die Entwicklung hin zu einer Produktion von Einheiten mit vorhersehbaren Eigenschaften in hohen Stückzahlen unterstützen. Ausgehend von planaren Feldeffekttransistoren mit versetzten Gattern, vwurden drei Verbesserungsmöglichkeiten untersucht: eine vertikale Geometrie, dotierte Kanäle und ein alternativer Elektrolyt.

Der Wechsel von einer planaren zu einer vertikalen Bauweise erlaubt die Kanallängen von der Auflösung der Materialdrucker unabhängig zu machen und auf die Dicken der abgeschiedenen Filme zu reduzieren. Somit können Längen von zweistelligen Mikrometern auf Submikrongröße verkleinert werden. Da die Kanallänge direkt proportional zum Strom an der Senke ist, kann hier eine deutliche Verbesserung erreicht werden. Jedoch muss hierfür der Kanal porös dargestellt werden, um eine große Oberfläche mit Elektrolyt in Kontakt bringen zu können. Hierbei wurde ein bekanntes System mit SnO2-Kanal durch eine vereinfachte Darstellungsmethode mit schnell verfügbaren Materialien verbessert und erfolgreich ein funktionales Bauteil dargestellt.

Um die wichtige Kenngröße der Schwellspannung, diejenige Gatterspannung, ab der ein Kanal vom isolierenden in den leitenden Zustand wechselt, verlässlich darzustellen und individuell einstellen zu können, wurde eine In2O3-Präkursorentinte mit variabler Chromdotierung entwickelt. Durch diese Dotierungen konnte die Schwellspannung linear zur Dotantkonzentration verändert werden, jedoch unter deutlichen Verlusten in den Ausgangsströmen.

In einer dritten Versuchsreihe wurde der üblicherweise genutzte Kompositpolymerfeststoffelektrolyt durch Al 2 O 3 ersetzt. Statt eines dielektrischen Polarisationsverhaltens resultierte jedoch aufgrund niedriger Synthesetemperaturen im Atomlagenabscheideverfahren ein Material mit geringer Dichte und vielen Hydroxyfunktionalitäten, das als Elektrolyt agiert. In Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit kann die Funktionalität der so erhaltenen Transistoren beeinflusst werden, da die Elektrolyteigenschaft auf an der Al2O3-Oberfläche generierten Protonen basiert.

Im Rahmen dieser Arbeit konnten somit erfolgreich drei Alternativen für die Produktion gedruckter, anorganischer Feldeffekttransistoren aufgezeigt werden und ein Beitrag zu Weiterentwicklung dieser Technologie geleistet werden.