Etude de transistors organiques innovants pour des applications en électronique structurelle et biocapteurs

Study of innovative organic transistors for applications in structural electronics and biosensors

• Auteur / Autrice : Thibault Fresneau
• Direction : Pascal Mailley, Krunoslav Romanjek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des technologies des nouveaux matériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Panagiota Morfouli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Noël, Massimo Barbaro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photolithographie

Enduction centrifuge

Biocapteurs

Transistors organiques à effet de champ

Mots clés libres

Transistor

Biocapteur

Electronique organique

Double-Grille

Spin-Coating

Photolithographie

Transistor

Biosensor

Organic electronics

Double-Gate

Spin-Coating

Photolithography

Résumé

Les Transistors Organiques en Couches Minces (OTFTs) représentent une classe de transducteurs à fort potentiel pour les capteurs et biocapteurs de prochaine génération. Les matériaux organiques dont ils sont composés possèdent des propriétés intéressantes : biocompatibilité, faible impact environnemental et procédé de fabrication à bas coût. De plus, ils permettent la fabrication de composants électroniques sur des substrats flexibles et étirables pour de très grandes surfaces de fabrication. Ces substrats sont particulièrement adaptés pour les applications de santé on-vivo et pour les Laboratoires sur puce (Lab-On-Chip).Les OTFTs possèdent de bonnes performances en matière de capteurs : ils permettent d'atteindre des seuil de détection très bas grâce à une interaction physique directe avec le matériau actif (oxydo-réduction à l'interface avec le semiconducteur organique - OSC, fort champ électrostatique grâce à un couplage électrolytique sur la grille, ou encore des réactions de dopage du canal). La proximité entre la cible et l'OSC augmente l'effet d'interaction et conduit à de meilleures sensibilités. Cependant, les architectures les plus communes exposent l'OSC à l'analyte biologique qui est souvent de nature aqueuse. En conséquence, cela restreint l'utilisation de matériaux sensibles à l'eau.Dans cette étude, nous avons conçu une architecture à Double-Grille qui protège l'OSC d'une interaction directe avec l'analyte. La structure du transistor est basée sur une technologie d'OTFT fiable fabriquée grâce à un procédé versatile (incluant du dépôt par spin-coating, de la photolithographie et des étapes de gravure). Ce procédé a été validé par une analyse statistique. La structure a été modifiée pour ajouter un niveau diélectrique et un niveau de métal sous l'empilement, menant à une architecture de transistor Double-Grille. Le dessins de l'architecture Double-Grille a été conçu en incluant des motifs de caractérisation pour de futures analyses statistiques sur la reproductibilité et le rendement du procédé.Les composants ont été caractérisés structurellement pour vérifier leur morphologie et leur géométrie (épaisseurs des couches minces). Les empilement organiques ont pu être imagés avec succès par microscopie électronique à balayage, et des mesures de profilométrie sont venues valider les épaisseurs observées. Afin de confirmer l'analyse physique, les propriétés physiques des matériaux ont été évaluées (notamment la permittivité diélectrique) grâce à des mesures de capacité complémentaire à la mesure d'épaisseur.La mesure électrique en mode de fonctionnement double-grille a démontré l'interdépendance de la tension de seuil avec la structure de double-canal, et a permis d'identifier le maximum de la transconductance afin d'optimiser la tension de lecture. Le grand nombre de composants fabriqué a permis de conduire une nouvelle analyse statistique pour évaluer le procédé à des fins industrielles. A des fins complémentaires, l'impact d'un procédé de fonctionnalisation biologique sur l'intégrité et les performances du transistor a été évalué. Des expérimentations préliminaires ont donné des résultats prometteurs avec la détection de variation de potentiel sur l'électrode sensible améliorée par la tension de lecture sur la grille opposée. Ces résultats présentent cette technologie comme un bon candidat pour les futures applications de biodétection.

Organic Thin Film Transistors (OTFT) represent an interesting transductors class for next generation sensors and biosensors. Organic materials composing OTFTs exhibit interesting properties: biocompatibility, low environmental impact and low-cost processing techniques. In addition, they can be manufactured on flexible and stretchable large area substrates, which are well fitted for on-vivo applications and Lab-On-Chip devices.OTFTs also exhibit good sensing performances: very low detection limits and high selectivity have been achieved through direct physical interactions (oxidoreduction at the organic semiconductor (OSC) interface, high electrostatic field thanks to electrolyte gated devices or channel doping). The proximity between the target and the OSC increases the interactions effects, and so leads to better sensitivities. However, it exposes the OSC to the biological analyte, usually of aqueous nature. Consequently, it limits the use of water sensitive-materials.In this study, we designed a double-gate architecture that protect the OSC from direct interaction with the analyte. The transistor structure is based on a reliable single-gate OTFT technology fabricated using a versatile process (including spin coating, photolithography and dry etching steps) that was validated with a statistical analysis. The structure was modified to add one dielectric and one metal layer below the full stack, leading to a double-gate transistor architecture. Layouts for the double-gate architecture were designed, including characterisation patterns for further statistical data analysis on the process reproducibility and efficiency.Structural characterisation has been performed on the device to assess the morphology and geometry (layer thicknesses). Scanning electron microscopy of organic stack was successfully achieved, and profilometry measurements came to validate the observed thicknesses of organic layers. To validate the physical analysis, materials properties were investigated (dielectric permittivity) with capacitance measurements to evaluate the thicknesses with a complementary method.Electrical measurements in double-gate operation demonstrated the interdependence of the threshold voltages to the double-channel structure and allows at identifying the maximum transconductance leading to the most optimised readout voltage. With a large number of devices, a new set of statistical analysis was conducted to evaluate the capability of the process in producing similar devices for industrial purposes. As complementary results, the impact of functionalisation process over transistors integrity has been evaluated to guarantee the sensor performances. Preliminary experiments of sensing with saline solution have presented encouraging results with detection of potential variation on the sensing gate effectively tuned by the second gate voltage, proposing the presented technology as a well suited candidate for sensing and biosensing.