Développement d’une méthode de mesure du potentiel de surface par AFM pour composants électroniques en fonctionnement, application aux transistors organiques

Surface potential measurements of biased devices using Kelvin force probe microscopy applied to thin film organic transistors

• Auteur / Autrice : Grégoire De tournadre
• Direction : Louis Giraudet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 28/06/2016
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en nanosciences (LRN) - EA 4682 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Giles Horowitz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Louis Giraudet, Paul L. Heremans, Peter de Wolf, Olivier Simonetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Grevin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie à force atomique

Électronique organique

Mots clés libres

Electronique organique

Kpfm

Transistor

Modélisation

Afm

Organic electronic

Kpfm

Organic transistor

Modeling

Résumé

Au cours de cette thèse, une technique de mesure du potentiel de surface par AFM (KPFM) a été développée et exploitée. Elle permet la caractérisation locale et quantitative de transistors organiques (OTFT) polarisés à plusieurs dizaines de volts, en condition ambiante. Cependant tout type de composants polarisés dont la surface est accessible peut être étudié. La méthode a été utilisée de façon complémentaire à l’étude conventionnelle des caractéristiques courant-tension des transistors et à la simulation, elle contribue ainsi à une meilleure compréhension des mécanismes de transport et d’injection des porteurs dans les OTFT. Nous avons étudié des transistors en structure empilée ou planaire et à base de semi-conducteurs variés (PTAA, DNTT, P3HT). Nous avons obtenu des caractéristiques courant-tension intrinsèques du contact de source, ohmique ou non-linéaire, suivant les cas. Les résultats sont 10 fois plus précis qu’avec la méthode dite « transmission line method (TLM) » et permettent d’étudier chaque transistor individuellement. La modélisation des contacts s’est appuyée sur l’implémentation du modèle d’injection d’Arkhipov dans un simulateur quasi-2D. Une nouvelle méthode de mesure de la mobilité et de la tension de seuil à partir des profils de potentiel a été introduite. Nous avons ainsi mesuré la mobilité du canal indépendamment des effets des contacts. Etonnamment la mobilité a été trouvée indépendante du champ électrique et de la densité de charges pour tous les OTFT étudiés. Enfin l’analyse des profils de potentiel dans le canal a mis en lumière des effets inattendus comme une diminution de la mobilité proche des contacts ou une évolution de la tension de seuil.

In this work, a surface potential measurement technique based on the Kelvin Force Probe Microscopy (KPFM), has been developed and applied to operating electronic devices. Potential profiles in the channel of organic transistors operated under high voltage (>10V) have been measured under ambient conditions. This original technique was used together with conventional current-voltage characterization and numerical simulation to gain a better understanding of carrier injection and transport properties in organic thin film transistors (TFTs). Various TFT structures and materials were studied (PTAA, DNTT, P3HT). The source intrinsic current-voltage characteristic was found either linear or non-linear depending on the device technology. Contact resistance measurements are 10 times more accurate than using the conventional « transmission line method» (TLM), and allow individual TFT characterization. Contact modeling was carried out using a quasi-2D numerical model, including an injection model from Arkhipov, and compared to measurements. New mobility and threshold voltage measurement methods, extracted from the KPFM potential profiles, are introduced. The KPFM measured channel mobility does not suffer from any contact influence. Surprisingly, the channel mobility was also found independent from the carrier concentration and from the electric field, on all the measured devices. Finally, unexpected effects could be evidenced from the potential profiles on some TFT structures: a reduction of the channel mobility occurs close to the contacts in some planar structures, and a shift of the threshold voltage was observed in staggered devices.