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Organische Elektronik für Sensoranwendungen

Auf den Chip ­gekommen

von Dr. Michael Thomschke

Intelligente und portable medizinische Ausrüstung ist für die schnelle und einfache patientennahe Point-of-Care-Diagnostik unerlässlich. Lab-on-Chip-Anwendungen in tragbaren Geräten können im Notfall dazu beitragen, wertvolle Zeit und Kosten für labormedizinische Analysen zu sparen. Aber auch nichtinvasives medizinisches Monitoring wie z.B. Pulsoxymetrie kommt als Anwendungsfeld infrage [1].

OLED als Lichtquelle

Elektronik auf Basis organischer Moleküle hat in Form der organischen LED (OLED) für kleinere Displays in Mobiltelefonen, Kameras und Wearables vor einigen Jahren die Marktreife erreicht und dringt aktuell in den Tablet- und TV-Markt vor. Auch die kommerzielle ­Nutzung von organischen Transistoren, Solarzellen und Foto­dioden (OPD) hat bereits begonnen. Ihre Anwendung in optischen Sensoren für Lab-on-chip-Anwendungen in der Medizintechnik und Analytik ist bisher in Gestalt einfacher Strukturen erfolgreich demonstriert worden [2]. Die Kombination dieser ultradünnen, licht­emittierenden und lichtempfindlichen Bauelemente mit abstimmbaren spektralen Eigenschaften könnte bei zu­künftigen Sensoren eine Schlüsselrolle spielen. Haupt­bestandteil sind dabei nanometerdünne Schichten ­organischer Halbleiter, die auf unterschiedlichste Unter­gründe wie Glas, Folie, aber insbesondere auch Silizium-Wafer abgeschieden werden können. Langkettige Polymere können gedruckt, gesprayt oder aufgeschleudert bzw. kompakte Oligomere im Vakuum aus der Gasphase abgeschieden werden. Die Strukturierung mittels Schattenmasken in kleinen Displays ist aktuell an der technischen Grenze von 500 Pixeln pro Zoll, also etwa 50-µm-Strukturgröße, angekommen. Verschiedene Forschungsgruppen haben aber bereits mit Erfolg diese Grenze im Labor per lithografischen Verfahren durchbrochen [3]. Der Aufbau als Schicht­system (Abb.1) ermöglicht dabei eine einfache Integra­tion von OLED, OPD und z.B. optischen Filtern (z.B. Bragg-Filter) in einem fortlaufenden Herstellungs­pro­zess sowohl auf sehr kleinen (µm²) als auch großen Flächen (m²), insbesondere auch auf flexiblen Substraten. Auch Röntgendetektoren mit organischen Szintillatoren sind möglich. Ein typisches Detektionsprinzip der medizinischen Sensorik nutzt das Fluoreszenzsignal von Tracer- oder Markierfarbstoffen. Diese können als funktionale Gruppe an bestimmte Bio-Spezies (Zellen, Moleküle etc.) gehängt werden und dienen somit der optischen Wiedererkennung. So lassen sich u.a. die Konzentration und auch der Zustand von Organismen bzw. organischen Verbindungen bestimmen.

Sensorik auf einem Chip

Für OLED- und OPD-Bauelemente auf Silizium-Wafern bietet die Kombination mit einer kompletten Auslese- und Steuerungselektronik im Substrat unzählige Möglichkeiten. Die OLED dient dabei z.B. als Anregungslichtquelle, die spektral auf die Absorptionsbande der fluoreszierenden Markierungsmoleküle abgestimmt wird. Die OPD bzw. in den Chip integrierte Fotodioden detektieren dann das Fluores­zenzsignal, wenn gewünscht, auch dessen zeitlichen Verlauf. Die Forschung, insbesondere vorangetrieben durch die Kommerzialisierung in Displays, hat verschiedenste Materialklassen organischer Halbleiter mit Hunderten Vertretern hervorgebracht, die als Lichtquelle das gesamte sichtbare Spektrum und darüber hinaus abdecken können. Dies gilt ebenso für organische Fotodioden, deren spektrale Empfindlichkeit über das absorbierende Material und die Mikrooptik eingestellt werden kann.

Ultraviolette Strahlung aus organischen Molekülen

Für die optische Anregung im nahen Ultraviolett (UV) jedoch ist die Auswahl an notwendigen organischen Materialien sehr begrenzt. Hier nutzt man die Elektrolumineszenz undotierter Schichten, die üblicherweise als Host für eingebettete Emittermoleküle verwendet werden [4,5]. Diese Möglichkeit erweitert die verfügbare spektrale Bandbreite und es entsteht ein großes Potenzial für den Einsatz z.B. in der Fluoreszenzdetektion oder Sensorik mittels Plasmonenresonanz, bei der der Transmissionsgrad von Metallschicht­strukturen von der Art und Konzentration an­grenzen­der Stoffe und Gemische abhängt. Sen­sor­chips, die eine Erregerlichtquelle in Nahultra­violett besitzen, könnten in vielen Anwendungen eingesetzt werden, da besonders viele organische Farbstoffe in diesem Spektralbereich eine große Menge Licht absorbieren.

Das Fraunhofer FEP entwickelt daher simple OLED-Strukturen (Abb.2), die im nahen UV bei 5V Betriebsspannung Licht mit aktuell etwa 2% Gesamt­effizienz emittieren. Die OLED besteht dabei nur aus den zwei organischen Materialien 4,4’-bis (carbazol-9-yl)Biphenyl (CBP) und 1,3-bis[3,5-di(pyridin-3-yl)phenyl]Benzene ­(BmPyPhB), wobei die Ladungsträgerinjektion einerseits mittels MoO₃ über eine transparente Indiumzinn­oxid (ITO)-Anode in das CBP und andererseits über eine LiF/Al-Kathode in das BmPyPhB reali­siert wird. Die Rekombination findet an der Grenz­fläche der beiden organischen Schichten statt. Die Elektrolumineszenz entsteht auf den CBP-Molekülen, da BmPyPhB eine größere Anregungsenergie benötigt. Die Spitzenwellenlänge liegt bei 380nm, wobei die Emission von 350nm bis zu optisch sichtbaren 450nm reicht. Laufende Forschungsarbeiten ­sollen die Ansteuerspannung, die Effizienz, die Lebens­dauer und den Spektralbereich der Emission verbessern.

Anregung und Fluoreszenz getrennt

Die typischen spektralen Emissionsbreiten von etwa 100nm sind für die Sensorik meist nicht geeignet, wie das folgende Beispiel zeigt. Wenn das Anregungslicht der OLED und die Emission des Markers spektral getrennt werden müssen, sind optische Filter notwendig. Im Herstellungsprozess können diese Filter als weitere Schichtfolge nahtlos auf die Bauteile aufgebracht werden. Dieses Konzept wurde am Beispiel einer grünen, so genannten top-emittierenden OLED auf Si-Substraten gezeigt. Die OLED befindet sich dabei auf einer opaken Metallelektrode und besitzt einen halbdurchsichtigen oberen Kontakt. Darüber befindet sich ein speziell ausgeführter Fabry-Perot-Interferenzfilter, der als Kanten­filter funktioniert (Abb.3). Damit wird die Emission des OLED-Lichts oberhalb von 550nm unterdrückt und unter­halb 550nm durchgelassen. Bei lediglich 20nm spektraler Bandbreite wird eine Spitzenwellenlänge von 515nm bei möglichst großem Überlapp mit dem Absorptionsspektrum eines Fluoreszenzmarkers erreicht. Dadurch wird eine maximale Anregung des Markerfarbstoffes bei gleichzeitig minimalem Übersprechen erreicht. Das gesamte OLED-Bauteil verfügt inklusive Dünnschichtverkapselung etwa über eine Dicke von 1,5µm und kann damit sehr nah an die zu untersuch­en­de Substanz herangebracht werden.

Später können derartige, durch Fotodioden ergänzte Bauelemente zusammen mit Mikrofluidikelementen günstige optische Sensoren darstellen. Die Ergebnisse und Konzepte demonstrieren die prinzipielle Anwendbarkeit der OLED für sensorische Anwendungen. Die komplette Integration von OPD und OLED, inklusive Filter und Elektronik im darunterliegenden Chip sind Gegenstand aktueller Forschungsvorhaben. Hier gilt es noch Hürden, wie Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Elemente und Ihre Integration inklusive einer ausdauernden Verkapselung zu nehmen.

Literatur

Williams, G. et al. (2014) Electronics 3, 43–75
Lochner, C. M. et al. (2014) Nature communications, vol. 5
Zakhidov, A. A. et al. (2011) Chem. Sci. 2, 1178–1182
Lu, H. et al. (2012) Proc. of the IDW/AD 1097–1100
Mikami, A. et al. (2008) SID Symposium Digest of Technical
Papers 39, 215–218