Transistors à effet de champ : étude des interfaces et amélioration des performances

Organic field effect transistors : interfaces characterization and performances improvement

• Auteur / Autrice : Mélanie Devynck
• Direction : Lionel Hirsch, Pascal Tardy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 11/09/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Dufour Dabadie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Simonetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Horowitz, Kamal Lmimouni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs organiques

Interfaces (sciences physiques)

Transistors à effet de champ

Mots clés libres

Transistors organiques à effet de champ

Monocouches autoassemblées

Interfaces

Microscopie AFM

Spectroscopie UPS

Organic field effect transistors

Self-assembled monolayers

Interfaces

AFM microscopy

UPS spectroscopy

Résumé

Ce travail porte sur l’étude des interfaces semi-conducteur/diélectrique et semiconducteur/électrode dans les transistors organiques à effet de champ (OFETs). En effet, le transport et l’injection des charges se trouvent affectés par la qualité de ces interfaces.L’objectif est donc la compréhension de l’influence des caractéristiques morphologiques(rugosité, énergie de surface) et électroniques (travail de sortie) du diélectrique ou del’électrode sur les performances des OFETs.Dans un premier temps, des OFETs sur substrats de silicium à base de pentacène ontété fabriqués et les interfaces traitées à l’aide de monocouches auto-assemblées (SAMs). Legreffage des SAMs tels que l’OTS8 ou l’OTS, en neutralisant les groupes hydroxyles et enprésentant une surface apolaire, conduit à une réduction de la densité de pièges en surface. Deplus, les pièges présents dans la couche active et dus aux joints de grains sont moinsnombreux grâce à une croissance 2D en larges grains du pentacène sur OTS. Cesmodifications de l’interface sont mises en évidence par une réduction de la tension de seuil,de la pente sous le seuil ainsi que de l’hystérésis. Le transport ainsi favorisé des chargespermet une amélioration de la mobilité jusqu’à 0,6 cm2/Vs.Nous nous sommes également intéressés à l’interface semi-conducteur/électrode et àsa modification par des SAMs fluorés tels que le PFBT, le PFHT et le PFDT. L’influence desSAMs est présente tant au niveau morphologique, en améliorant la continuité de croissance dupentacène à la jonction diélectrique/électrode qu’au niveau électronique en augmentant letravail de sortie de l’électrode. La réduction de la résistance de contact RC souligne clairementces modifications et conduit à des mobilités maximales de 0,6 cm2/Vs. Par la suite, nousavons choisi de modifier ces deux interfaces dans un même dispositif, ce qui nous a permisd’atteindre des mobilités moyennes élevées de 1,3 cm2/Vs.La dernière partie de ces travaux a été dédiée à la fabrication d’OFETs basse tension àbase de pentacène ou de C60 sur substrats de verre. Le caractère basse tension de cesdispositifs est rempli grâce à l’utilisation d’un diélectrique composé de deux couches : undiélectrique à forte constante diélectrique, l’oxyde d’aluminium, et une fine couche d’undiélectrique à faible constante diélectrique comme les SAMs (C8-PA ou C18-PA) ou lespolymères (PMMA ou PVT). Cette combinaison permet d’atteindre des mobilités(m = 0,4 cm2/Vs) encourageantes pour des OFETs de type n ainsi que de faibles hystérésis(<0,1 V) dans le cas d’OFETs de type p.

The charge transport and injection are strongly dependant of the semiconductor/dielectric and semi-conductor/electrode interfaces quality. Therefore, this studyfocuses on these interfaces in organic field effect transistors (OFETs). The goal is theunderstanding of the relation between the dielectric (roughness, surface energy) or electrode(work function) characteristics and the OFETs performances.First, we investigate the influence of the interfaces modification by SAMs (SelfAssembled Monolayers) in pentacene based OFETs on silicon substrates. Due to the SAMsgrafting such as OTS8 or OTS, the hydroxyls groups are neutralized and the dielectric showsan apolar surface leading to the reduction of the charge traps density. Moreover, a 2Dpentacene growth with large grains on OTS surface contributes to the decrease of the chargetraps density in the bulk. The threshold voltage, subthreshold swing and hysteresis decreasesgive rise to these modifications. The improvement of the charge transport allows us to reachmobility up to 0.6 cm2/Vs.Then, we investigate the electrode surface treatment by fluorinated SAMs such asPFBT, PFHT or PFDT. The better pentacene layer continuity and the increased electrodework function emphasize the morphologic and electronic influences of the SAMs. Thesemodifications lead to the contact resistance reducing and in consequence to an enhancedmobility up to 0.6 cm2/Vs. Finally, devices with a combination of the interfaces treatmentpresent high mean mobility of 1.3 cm2/Vs.On the final part of this study, we concentrate on low voltage C60 or pentacene basedOFETs on glass substrates. Using a dielectric composed of a high-k dielectric as AlOx and athin layer of a low-k dielectric such as phosphonic SAMs (C8-PA or C18-PA) or polymers(PMMA or PVT) allow us to achieve this low voltage condition. The mobility obtained withn-type OFETs (m = 0.4 cm2/Vs) and the small hysteresis (<0.1 V) in p-type OFETs arepromising.