Drahtlose Indium-Gallium-Zink-Oxide Transceiver und Bauelemente auf mechanisch flexiblen Dünnfilmsubstraten (W I S D O M II)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271795180

In W I S D O M (erste Phase) wurde eine vollständig integrierte biegsame Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO) Dünnschichttransistor (TFT)-Technologie entwickelt. Die Schaltungen werden auf einer 50 µm dicken Polyimidfolie integriert. Eine maximale Oszillationsfrequenz (fmax) von 300 MHz und eine Transitfrequenz (fT) von 135 MHz wurde für TFTs mit einer Gatelänge von 0.5 µm gemessen. Das ist Weltrekord für IGZO TFTs auf Plastikfolie. Gleichzeitig wurden TFTs mit einer Gatelänge von 2 µm bei besserer Ausbeute und mit 85/40 MHz fmax/fT entwickelt, die Schaltkreise mit mehr als 20 Transistoren ermöglichen. Mit der zweitgenannten Technologie wurden integrierte Daten-Transmitter demonstriert und charakterisiert. Die Transmitter arbeiten mit einer On-Off Keying (OOK) Modulation bei einer Trägerfrequenz von 4 MHz und verbrauchen lediglich 0.7 mA bei 3 V. Außerdem wurde ein integrierter drahtloser Feuchtesensor-IC entwickelt, wie er z. B. in einer smarten Windel eingesetzt werden könnte. Der Schaltkreis integriert Feuchtesensor, Auswerteelektronik, OOK-Transmitter, Frequenzverdoppler und Antenne. Es wurden Transistormodelle mit guter Vorhersagegenauigkeit sowohl für das Gleichstrom- als auch das Hochfrequenzverhalten entwickelt. Das Hauptaugenmerk in W I S D O M II (neue, zweite Phase) wird auf der Entwicklung eines vollständig integrierten biegsamen IGZO-Transceiver bei bis zu 100 MHz und 1 Mb/s liegen, der aus einem optimierten Transmitter und Empfänger besteht. Wir wollen die erzielten Betriebsfrequenzen steigern, indem wir beispielsweise bis zu drei unserer schnellen Transistoren mit geringerer Ausbeute zusammen mit bis zu 50 der langsameren Transistoren mit hoher Ausbeute hybrid integrieren, in Transmittern Frequenzmultiplizierer (z. B. 8x) einsetzen, zur Frequenzvervierfachung Quadraturoszillatoren verwenden, dem Empfänger einen Abwärtsmischer voranstellen und Mitkopplung für eine hohe Verstärkung und Bandbreite bei gleichzeitig guter Stabilität einsetzen. Parallel dazu möchten wir die Geschwindigkeit der Transistoren verbessern, z. B. durch kürzere Gatelängen (z. B. durch fokussiertes Ionenstrahl-Ätzen), aktive Steuerung der Dotierungen, sowie die Verringerung von parasitären Kontaktwiderständen. Wir wollen die Vision von FFlexCOM wahr werden lassen und auf einem biegsamen Stück Plastik ohne herkömmliche biegesteife Chips einen textil-integrierbaren Transceiver für die drahtlose Kommunikation realisieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1796: High Frequency Flexible Bendable Electronics for Wireless Communication Systems (FFLexCom)
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Niko Münzenrieder