Technologie de fabrication des transistors organiques en couches minces

Fonctionnement du transistor organique à effet de champ

Le transistor à effet de champ

Le transistor à effet de champ, appelé MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) est un dispositif dont le but est de moduler le courant circulant entre deux électrodes, la source (S) et le drain (D) grâce à une troisième électrode, la grille (G), isolée du reste du composant grâce à une couche isolante. Même si du point de vue du régime de fonctionnement, le transistor organique à effet de champ, appelé OFET (Organic Field Effect Transistor) ou OTFT (Organic Thin Film Transistor) est différent de son équivalent inorganique – un transistor organique fonctionne en régime d’accumulation tandis qu’un MOSFET inorganique fonctionne en régime d’inversion – leurs principes de fonctionnement sont semblables. C’est pourquoi, dans un premier temps, on prendra l’exemple d’un transistor inorganique pour décrire le fonctionnement des transistors à effet de champ. On considère un substrat inorganique, du silicium dopé P, dans lequel sont implantées les deux électrodes source et drain. Lorsqu’une tension, VD est appliquée entre ces électrodes, une zone conductrice se forme entre elles dans le silicium. Dans cette zone, appelée canal, de longueur L et de largeur W, va alors circuler un courant, appelé courant de drain, ID. La troisième électrode du transistor, la grille, va alors avoir pour rôle de faire varier la densité de porteurs { l’intérieur du canal, en fonction de sa polarisation, le rendant ainsi plus ou moins conducteur, modulant ainsi le courant { l’intérieur de celui-ci. En l’absence de polarisation entre la source et le drain, l’ensemble Grille-Isolant-Substrat forme une capacité MétalIsolant-Semi conducteur (MIS). Ainsi lorsque le transistor n’est pas polarisé, il est bloqué, la capacité MIS étant en déplétion (Figure 1 (a)). Si une tension positive supérieure à la tension de seuil du transistor est appliquée à la grille, la capacité MIS fonctionne en régime d’inversion. Un canal conducteur de type n est alors créé entre la source et le drain. Si un potentiel est appliqué sur le drain, une différence de potentiel est alors créée entre la source et le drain, un courant peut alors circuler entre eux, le transistor devient alors passant. Mais cette polarisation plus importante du côté du drain, va entrainer une couche d’inversion plus importante du côté de la source. Ainsi la conductance du canal va varier en fonction de la polarisation entre la source et le drain ce qui entrainera une variation non linéaire du courant de drain en fonction de cette même tension drain-source.

On peut alors distinguer deux régimes de fonctionnement pour un transistor à effet de champ :
– Le régime linéaire : la tension de drain, VD est faible, par conséquent la conductance dans le canal varie peu. ID varie donc linéairement avec VD (Figure 1 (b)).
– Le régime de saturation : VD augmente, la couche d’inversion diminue du coté du drain, par conséquent la conductance dans le canal diminue. ID varie alors de façon sous-linéaire en fonction de VD. Lorsque VD augmente jusqu’{ une certaine tension, notée VDsat, la capacité n’est plus en inversion du côté du drain. Par conséquent, la conductivité du canal est nulle aux alentours du drain, il y a alors pincement du canal. Pour des tensions de drain supérieures à VDsat, une zone de déplétion se crée entre le point de pincement et le drain. La tension aux bornes du canal reste alors constante et égale à VDsat. ID va alors saturer et être égal à IDsat (Figure 1 (c)) [2].

Le transistor organique à effet de champ

Principe physique

Capacité MIS organique
Comme précisé dans la partie précédente, à la différence du MOSFET inorganique qui fonctionne en régime d’inversion de porteurs minoritaires, le transistor organique { effet de champ fonctionne en régime d’accumulation de porteurs majoritaires. Ces porteurs peuvent être préférentiellement des trous, on parle alors de transistor à canal p, ou des électrons, on parle alors de transistor à canal n. Lorsque le transistor fonctionne avec les 2 types de charges, on parle de transistor { transport ambipolaire. Comme on l’a vu dans le cas du transistor MOSFET inorganique, lorsqu’aucune polarisation n’est appliquée entre la source et le drain, le transistor peut être considéré comme une capacité MIS. On considère un semi-conducteur organique conduisant préférentiellement à un transistor à canal p. Avec un tel semi conducteur, lorsqu’une capacité MIS organique est polarisée négativement, des trous s’accumulent { l’interface isolant-semi-conducteur. La capacité est en régime d’accumulation (Figure 2 (b)). Le nombre de charges accumulées va alors dépendre de la capacité de l’isolant et du potentiel appliqué sur l’électrode de la capacité. Lorsqu’une polarisation inverse est appliquée, c’est-à-dire une polarisation positive, la capacité est en régime de déplétion (Figure 2 (a)), l’interface entre l’isolant et le semiconducteur va au contraire se dépeupler de trous.

A l’inverse, si on considère un semi-conducteur conduisant préférentiellement à un transistor à canal n, le régime d’accumulation aura lieu pour une polarisation positive, tandis que le régime de déplétion va s’établir pour une polarisation négative.

Diagrammes de bandes

A la différence de leurs homologues inorganiques, on ne parlera pas de bande de valence et de bande de conduction dans un semi-conducteur organique mais de HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) qui correspond au sommet de la bande d’énergie des orbitales π liantes et de LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) qui correspond au bas de la bande d’énergie des orbitales π* anti-liantes (cf. paragraphe 1.3.1.2). Dans un cas idéal, pour avoir une injection de charges efficace, le niveau de Fermi du métal constituant les électrodes source et drain doit être au même niveau que la HOMO du semi-conducteur pour un transistor à canal p et au niveau de la LUMO pour un transistor à canal n. En réalité, ces niveaux sont toujours décalés. En l’absence d’une polarisation de la grille, la conduction entre la source et le drain est très faible voire inexistante étant donné la très faible quantité de charges mobiles initialement présentes dans le semi-conducteur (Figure 3 (a)). Lorsqu’un potentiel est appliqué sur la grille, sous l’effet du champ électrique ainsi créé, les niveaux HOMO et LUMO du semi-conducteur vont se décaler vers les plus hautes énergies si cette polarisation est négative (transistor à canal p) et vers les plus basses énergies si cette polarisation est positive (transistor { canal n). Ainsi, { partir d’une certaine tension dont la valeur va dépendre de la hauteur de la barrière de potentiel entre le niveau de Fermi du métal des électrodes et le niveau HOMO (ou LUMO) du semi-conducteur, ce dernier va se retrouver à la même hauteur que le niveau de Fermi des contacts source et drain permettant ainsi l’injection de charges par la source dans le semi-conducteur (Figure 3 (b)). Si un potentiel est maintenant appliqué sur le drain, une conduction de trous (ou d’électrons) va s’établir depuis la source vers le drain, créant ainsi le courant de drain (Figure 3 (c)) [3].

Ceci est un modèle simplifié de l’injection de charges dans un transistor organique, en réalité, d’autres paramètres vont rentrer en jeu, rendant l’injection de charges plus complexe. Ainsi on a longtemps cru que les semi-conducteurs organiques ne pouvaient conduire qu’un seul type de charge, alors qu’il s’est avéré qu’intrinsèquement ils sont capables, dans le canal d’un transistor en fonctionnement, de conduire aussi bien les électrons que les trous.

Régimes de fonctionnement

Les régimes de fonctionnement du transistor organique à effet de champ sont similaires de son équivalent inorganique. Ainsi, si on prend l’exemple d’un transistor { canal p, comme on l’a vu dans le cas d’une capacité MIS, pour une polarisation de grille positive, le transistor va être en régime de déplétion. La conduction entre la source et le drain sera très faible voire inexistante. Le transistor est alors dans l’état bloqué (Figure 4 (a)). En théorie, on pourrait croire que l’accumulation de trous va débuter dès qu’un potentiel négatif sera appliqué sur la grille. Or, dans la réalité, ce n’est pas le cas. Un potentiel supplémentaire peut parfois être nécessaire. En effet, il existe dans la couche semi-conductrice de nombreux pièges qui peuvent être assez profonds pour rendre immobiles les charges qui y sont piégées. De plus, des impuretés peuvent rendre le canal conducteur même pour une polarisation de grille positive [3]. Ainsi, le basculement entre le régime de déplétion et le régime d’accumulation ne se fera pas à VG = 0 mais à un certain potentiel appelé tension de seuil, VT. Selon les impuretés et les pièges présents dans le semi-conducteur, cette tension pourra être positive ou négative. L’accumulation de charges ne commencera alors qu’{ partir de cette tension.

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Table des matières

Introduction générale
Bibliographie
Chapitre 1 Les transistors organiques à effet de champ : fonctionnement, interfaces et matériaux – Etude bibliographique et positionnement de ces travaux
Introduction
1 Fonctionnement du transistor organique à effet de champ
1.1 Le transistor à effet de champ
1.2 Le transistor organique à effet de champ
1.2.1 Principe physique
1.2.2 Architectures
1.2.3 Caractéristiques électriques
1.2.4 Extraction des paramètres
1.3 Conduction dans les semi-conducteurs organiques
1.3.1 Semi-conducteurs π-conjugués
1.3.2 Transport de charges dans les semi-conducteurs organiques
2 Phénomènes d’interface dans les transistors organiques
2.1 Interface métal-semi-conducteur organique
2.1.1 Physique du contact
2.1.2 Voies d’amélioration du contact métal-semi-conducteur
2.2 Interface isolant-semi-conducteur
2.2.1 Rugosité
2.2.2 Energie de surface
2.2.3 Dipôles d’interface
2.2.4 Piégeage des charges
2.3 Conclusion
3 Phénomène d’hystérésis dans les OTFT
3.1 Définition
3.2 Nature et origine
3.2.1 Phénomènes d’interface entre le diélectrique et le semi-conducteur organique
3.2.2 Phénomènes dans le diélectrique
3.2.3 Mémoires non volatiles
4 Les diélectriques de grille dans les transistors organiques
4.1 Capacité de la couche isolante
4.2 Isolants inorganiques
4.3 Isolants polymères
4.4 Monocouches auto-assemblées.
4.4.1 Diélectrique de grille
4.4.2 Couche intermédiaire entre le semi-conducteur et le diélectrique
4.5 Isolants bicouches
4.6 Conclusion
5 Le fluorure de calcium : structure et propriétés électriques
5.1 Propriétés structurales
5.2 Propriétés électriques
5.2.1 Conduction ionique
5.2.2 Propriétés isolantes
5.2.3 Le fluorure de calcium comme diélectrique de grille dans les transistors organiques à effet de champ
5.3 Conclusion
6 Le pentacène : morphologie et performances
6.1 Croissance
6.1.1 Phases cristallines
6.1.2 Influence des paramètres de dépôt sur la morphologie
6.1.3 Nature du substrat
6.2 Morphologie et paramètres transistors
6.2.1 Mobilité des porteurs de charges
6.2.2 Autres paramètres transistor
6.3 Vieillissement des transistors à base de pentacène
6.3.1 Dégradations à l’air
6.3.2 Dégradations sous champ
6.4 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 2 Technologie de fabrication des transistors organiques en couches minces
Introduction
1 Procédé d’évaporation thermique sous vide
1.1 Principe de l’évaporation sous vide
1.2 Description de l’équipement
2 Substrat, grille et diélectrique
2.1 Descriptif
2.2 Caractéristiques de l’isolant de grille
2.2.1 Rugosité
2.2.2 Capacité
2.2.3 Courants de fuites et champ de claquage
3 Couche tampon
4 Semi-conducteur
5 Electrodes source et drain
5.1 Contacts bas
5.2 Contacts hauts
5.2.1 Procédés de fabrication du masque par ombrage
5.3 Comparaison des deux architectures
5.3.1 Technologies
5.3.2 Performances
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 Caractérisation structurelle et électrique de l’interface pentacènefluorure de calcium
Introduction
1 Propriétés de la couche tampon
1.1 Propriétés électriques
1.1.1 Capacité
1.1.2 Courant de fuites et champ de claquage
1.2 Epaisseur des échantillons
1.3 Propriétés structurales
1.3.1 Energie de surface
1.3.2 Morphologie
1.4 Morphologie de la couche de pentacène
1.4.1 Sur oxyde de silicium
1.4.2 Sur fluorure de calcium
1.5 Conclusion
2 Propriétés électroniques de l’interface isolant-pentacène
2.1 Structures MIS
2.2 Caractéristiques des transistors avec et sans couche tampon
2.2.1 Allure générale des courbes
2.2.2 Mobilité
2.2.3 Rapport Ion/Ioff
2.2.4 Tension de seuil.
2.2.5 Hystéresis
2.2.6 Conclusion
2.3 Vieillissement des transistors avec et sans couche tampon
2.3.1 Mobilité
2.3.2 Rapport Ion/Ioff
2.3.3 Tension de seuil
2.3.4 Hystérésis
2.3.5 Conclusion
2.4 Encapsulation par CaF2
2.4.1 Mobilité
2.4.2 Rapport Ion/Ioff
2.4.3 Tension de seuil
2.4.4 Hystérésis
2.4.5 Conclusion
2.5 Dérive sous champ
2.5.1 Stress à l’état passant (VG = -80 V)
2.5.2 Stress à l’état bloquant (VG = +80 V)
2.5.3 Ajustement des courbes d’évolution de la tension de seuil en fonction du temps
2.5.4 Conclusion
2.6 Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale

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