Realisation de transistors organiques´ a` effet de · PDF fileRealisation de transistors...

Click here to load reader

  • date post

    16-Sep-2018
  • Category

    Documents

  • view

    229
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Realisation de transistors organiques´ a` effet de · PDF fileRealisation de transistors...

  • Realisation de transistors organiques aeffet de champ et etude de materiauxferroelectriques pour optimiser lestensions dalimentationsBenjamin Ramos, Marc Ternisien, David Buso

    Laboratoire Plasma et Conversion dEnergie (LAPLACE)Batiment 3R3

    118 Route de Narbonne31062 Toulouse Cedex 9

    Email : benjamin.ramos@laplace.univ-tlse.fr

    Dans ce travail, en vue dune applica-tion OLET (Transistor Organique Lu-mineux), nous avons etudie plusieurs

    dielectriques de grille afin de reduireles tensions dalimentations. A lheureactuelle, il sagit dun verrou technologiquepour une application dans les technolo-gies liees a laffichage mais egalement aleclairage pour realiser un systeme lu-mineux tout organique . Nous avonsdonc decide de jouer sur les permit-tivites des dielectriques de grille en util-isant differents materiaux : le PMMA(Poly(methyl methacrylate)), un materiauclassique pour les dielectriques de grille dansles transitors organiques a effet de champ(OFETs) et deux materiaux ferroelectriques: le PVDF-TrFE (Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)) et le PVDF-TrFE-CFE(Poly(Vinylidene fluoride trifluoroethylenechlorofluoroethylene terpolymer)). DesOFETs de type-n ont ete realises avec lastructure suivante : Verre/ITO/PMMA/PTCDI-C13/Aluminium. Des tensions daumoins 50V ont ete obtenues, ce qui concordeavec la litterature [1]. Pour les materiauxferroelectriques, nous avons determine lesparametres de depot (temperature de re-cuit et solvant pour la dilution) et ef-

    fectue une correlation avec leurs cristallinitespar AFM. Ensuite, nous avons effectue desmesures de capacites electriques en realisantla structure suivante Verre/ITO/materiauxferroelectriques/Aluminium. Un recuitproche de la temperature de curie desmateriaux, augmente la valeur de la capaciteet reduit la rugosite de surface. Cela permetdoptimiser linterface entre le dielectriquede grille et le semi-conducteur organique,une etape cle pour tenter de lever ce ver-rou. Actuellement, nous realisons des OFETsde type-n et de type-p avec les materiauxferroelectriques pour valider la diminutiondes tensions dalimentation.

    Introduction

    Depuis plus dune quinzaine dannee, lelectroniqueorganique connait une forte croissance dans lemonde de la recherche scientifique. Les couts reduitset la facilite de fabrication ont permis de developperde nombreuses applications. Les transistors or-ganiques a effet de champ (OFETs) furent les pre-miers composants realises [2] [3], suivies des diodesorganiques electroluminescents (OLEDs) [4]. Puisen 2003, le premier transistor organique emetteur delumiere (OLET) est fabrique. Il permet de realisera la fois des fonctions transistors tout en emettant

    http://jnrdm2016.sciencesconf.org/ JNRDM TOULOUSE 2016 page 1 of 6

  • de la lumiere [5] [6]. Les derniers resultats sur lesOLETs ont permis datteindre un rendement de 8%[7], ce qui est encourageant pour une future applica-tion dans les systemes declairage. Neanmoins, lestensions dalimentations de ce type de composantsrestent elevees (de 50 a 100V). Nous avons doncetudie trois dielectriques de grille avec des permit-tivites (r) differentes en vue doptimiser ces tensions.Le premier est le PMMA (Poly(methyl methacry-late), il sagit du polymere le plus utilise en tantque dielectrique de grille dans les OFETs. Les deuxautres sont des materiaux ferroelectriques : le PVDF-TrFE (Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)) etle PVDF-TrFE-CFE (Poly(Vinylidene fluoride tri-fluoroethylene chlorofluoroethylene terpolymer)) etpossedent une permittivite elevee respectivementde 10 et 50. Le PMMA quant a lui, a une per-mittivite de 3. Dans un premier temps, nousavons realise et caracterise des OFETs de type navec du PMMA, qui serviront de reference pourles tensions dalimentations de nos transistors. En-suite, nous avons determine les parametres de depot(temperature de recuit et solvant pour la dilution) desmateriaux ferroelectriques et effectue une correlationavec leurs cristallinites par AFM. Enfin, nous avonseffectue des mesures de courant capacitifs apeesun depot de ces materiaux entre un substrat deVerre/ITO et une electrode dAluminium.

    1 Transistor de reference

    1.1 Realisation du transistor

    Le transistor de reference est un OFET unipolaire detype n avec une structure bottom gate/top contact.La Figure 1 represente sa structure.

    Figure 1: Structure du transistor organique de type n.

    Les substrats de verre ont ete commandes aupresde la societe Kintec et comporte une couche de 100nmdITO photolithographie qui est la grille de nos tran-sistors. Le PMMA est un polymere sous formede poudre qui doit etre melange avec un solvantpour pouvoir etre depose par spincoating. Nousavons choisi dutiliser lacetate de butyle, un solvant

    classique pour ce polymere. Nous avons prepareune solution a 50mg/mL avec une vitesse de ro-tation de la tournette a 2000rpm pour avoir uneepaisseur finale denviron 360nm. Le depot a latournette est une etape cle dans la realisation destransistors, elle est donc faite en salle blanche. Parla suite, un recuit du film est effectue sur plaquechauffante a 130C pendant 15mn pour evaporerle solvant et cristalliser le polymere. Letape suiv-ante consiste a deposer la couche active de type n.Le materiau organique choisi est le N,N-ditridecyl-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide (PTCDI-C13). Il sagit dune petite molecule et peut donc etredeposee par evaporation sous vide. De plus, la mo-bilite des electrons, de 101-102 dans ce materiau,est assez elevee pour lelectronique organique. Dansnotre cas, une couche de 30nm est depose a traversun masque metallique a 1A/s a 5.106 mbar. En-fin, une couche daluminium de 100nm est deposeepar canon a electron a 5.106 mbar pour former leselectrodes source et drain des transistors.

    1.2 Caracterisation du transistor

    1.2.1 Caracterisation morphologique du PMMA

    Letude morphologique du dielectrique de grille dansles transistors est une etape essentielle pour optimiserleurs performances. En ce qui concerne lepaisseurdu dielectrique, plus elle est elevee, plus les ten-sions dalimentations devront etre importantes pourobtenir un courant similaire dans le canal conducteur.En revanche, en diminuant lepaisseur, le courant defuite entre la source et la grille sera plus eleve. Nousavons donc choisi une epaisseur de 360nm, qui setrouve etre un bon compromis pour avoir un faiblecourant de fuite, de lordre de la dizaine de nA a 40V(ce qui correspond a une resitance de fuite de lordredu G) et des tensions dalimentation de lordre de60V. Pour valider cette epaisseur nous effectuons unemesure par profilometre mecanique.

    Une autre information importante a connaitre estla rugosite de surface. Le but etant de la diminuer aumaximum pour eviter que les charges se retrouventpieger a linterface dielectrique/couche active et doncdameliorer les performances du transistor. Pour nosfilms minces de PMMA nous avons obtenus, pourune image de 5mx5m (Figure 2), une tres faiblerugosite de surface (Ra=0.31nm et Rq=0.39nm).

    Ces caracterisations morphologiques valident ledepot du PMMA a la tournette avec le solvant acetatede butyle.

    http://jnrdm2016.sciencesconf.org/ JNRDM TOULOUSE 2016 page 2 of 6

  • Figure 2: Image AFM dun depot de PMMA effectue ala tournette a partir dune solution a lacetatede butyle.

    1.2.2 Caracterisation electrique

    Le transistor caracterise possede la structure presentea la Figure 1. Sa longueur et sa largeur de canalsont respectivement de 600m et de 12mm, ce quidonne un rapport W/L de 20. Les caracterisationselectriques des transistors organiques ont ete faites enboite a gants puisque la couche active (PTCDI-C13)est sensible a lair et a loxygene. La Figure 3 montreles courbes de sortie obtenues pour ce transistor. Ilsagit de courbes classiques avec un regime lineairesuivi dun regime de saturation. Le courant de draina Vg=60V est de 3.6A. On obtient des valeurs decourant, a tensions egales, legerement superieur a lalitterature grace a la faible rugosite de notre couchede PMMA et un rapport W/L plus important [1]. Cetransistor va nous servir de reference a optimiser enterme de tensions dalimentations et de performance.

    Figure 3: Courbes de sortie dun OFET type n avec unestructure Verre-ITO-PMMA-PTCDI-C13-Al.

    2 Depot des materiauxferroelectriques

    2.1 Determination des conditions de depot

    Les materiaux ferroelectriques ont ete commandessous forme de poudre chez la societe PIEZOTECH.Deux solvants ont ete testes pour preparer nos solu-tions. Les caracteristiques pour le choix du solvantsont les suivantes :

    Il doit dissoudre la poudre ferroelectrique afinde ne pas avoir dagglomerats.

    Il ne doit pas sevaporer trop rapidement poureviter que la solution ne setale moins bien.

    Langle de contact avec le substrat doit etreinferieur a 90.

    Le film final doit etre de faible rugosite.

    Les deux solvants choisis sont tres largementutilises dans la litterature. Il sagit du 2-Butanone(MEK) et du Tetrahydrofurane (THF). Ces deuxsolvants mouille bien la surface, ont un angle decontact inferieur a 90et dissolvent bien les poudresferroelectriques. Nous avons prepare une solution deP(VDF-TrFE) dans du THF avec une concentrationde 30mg/mL. Celle-ci a ete deposee 4000tr/min a latournette sur un substrat verre/ITO et soumis a unrecuit en 2 etapes : a 66C pendant une heure puisa 140C pendant 2 heures. Une autre solution deP(VDF-TrFE) a ete faite dans du MEK avec une con-centration de 40mg/mL et deposee a 3000tr/min a latournette. Un recuit a ete fait a 81C pendant uneheure puis a 140C pendant 2 heures. La premieretemperature de recuit permet devaporer le solvantet la deuxieme consiste a cristalliser le film. Noussommes conscients que le protocole experimentalemploye differe selon le solvant utilise. Cependant,la concentration de la solution et la vitesse de ro-tation de la tournette in