Graphen: Skalierbare Graphen-Waferbeschichtung soll Indium ersetzen

Indium-Zinn-Oxid ist beim Bau von Displays und anderer durchsichtiger Elektronik noch unverzichtbar. Ein neuer Prozess soll das ändern.

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Graphen ist ähnlich transparent wie das bislang gebräuchliche ITO.
Graphen ist ähnlich transparent wie das bislang gebräuchliche ITO. (Bild: Zhichao et al/CC-BY 4.0)

Durchsichtiges Aluminium gibt es leider nur in Star Trek. Wer einen durchsichtigen Stromleiter außerhalb der Science-Fiction braucht, nimmt meistens Indium-Zinn-Oxid. Aber Indium ist selten, knapp und teuer. Schon lange wird darüber diskutiert, stattdessen dünne Lagen von Graphen zu benutzen. Aber bislang fehlte ein industriell durchführbarer Prozess, um sie tatsächlich einsatzfähig zu machen.

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Ein Paper im wissenschaftlichen Journal Advanced Optical Materials berichtet von einer neuen Methode, mit Hilfe gebräuchlicher Halbleitertechnik einlagige Graphenbeschichtungen auf Wafern zu erzeugen. Die durchsichtige Beschichtung absorbiert nur 2,3 Prozent Licht, kann lithographisch bearbeitet werden und leitet genug Strom, um OLEDs und andere Elektronik zu betreiben.

Das Graphen wurde mit einem modifizierten Prozess zur metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) erzeugt, der eigentlich zur Erzeugung von Halbleitern aus Galliumnitrid entwickelt wurde. Die gleichen Anlagen können in einem 2015 patentierten Prozess dazu benutzt werden, mit Hilfe von einfachen Kohlenwasserstoffen eine weitgehend fehlerfreie einlagige Graphenschicht auf einem Wafer aus Saphir (Aluminiumoxid) zu erzeugen.

Salpetersäure reduziert Widerstand

Anschließend wird das Graphen mit kleinen Mengen verdampfter Salpetersäure gedopt, was die Leitfähigkeit der Graphenschicht verbessert und den Widerstand beim Übergang in die Graphenschicht senkt. Anschließend wird auf dem Graphen das aktive Material der OLED aufgebracht und so schrittweise die vollständige Elektronik auf dem Wafer erzeugt.

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Das Doping mit Salpetersäure verbessert die mögliche Leuchtkraft der OLEDs um das Dreißigfache. Die Messergebnisse zeigen, dass die OLED mit der so erzeugten Graphenschicht genauso hell wie mit ITO ist und bei Stromdichten über 0,1 mA pro Quadratzentimeter sogar heller - ganz ohne seltene Metalle zu verbrauchen.

Dabei wurden die Bauteile auf die gleiche Weise hergestellt wie herkömmliche Halbleiterbauteile in der Massenproduktion. Dazu gehörte auch die Demonstration des photolithographischen Prozesses, der die gezielte Entfernung von Graphen durch Belichtung und anschließendes Entfernen lichtempfindlicher Schichten erlaubt.

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Verfahren für industrielle Massenfertigung

In einem Arbeitsschritt wurden bis zu 37 Wafer mit 50 mm Durchmesser mit Graphen beschichtet. Kommerzielle MOCVD-Anlagen zur Beschichtung herkömmlicher 300-mm-Wafer sollen nach den Angaben im Paper inzwischen ebenso verfügbar sein. Die Verwendung industriell verfügbarer Anlagen unterscheidet die Arbeit von vielen anderen Laborversuchen mit Graphen.

Dort war es etwa üblich, mit Labormitteln erst eine Graphenschicht auf einem Wafer zu erzeugen, den Wafer in Säure aufzulösen und dann die Graphenschicht auf ein fertiges Bauteil zu transferiert. Solche Versuche können zwar die physikalischen Möglichkeiten demonstrieren, bieten aber keinen Weg hin zur industriellen Umsetzung.

Das ist diesmal anders und sollte die Herstellung von Elektronik wie OLEDs, Displays, Solarzellen und anderer Bauteile erleichtern, die Stromleitung in transparenten Materialien erfordern. Superstarke Graphenmaterialien lassen sich mit der Technik allerdings nicht erzeugen.

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