CHAPITRE I. LES TRANSISTORS ORGANIQUES
3.2. E TUDE DU DIELECTRIQUE
3.2.2. Choix du polymère de passivation
Les oxydes, en général, possèdent de façon intrinsèque des espèces piégeant les charges, comme des sites déficients en oxygène ou encore des oxygènes avec des liaisons pendantes. De ce fait une couche de passivation est nécessaire pour obtenir des OFETs aux performances optimales (réduction du phénomène de liaisons pendantes, diminution de la rugosité dans certains cas).
Les SAMs sont utilisés le plus souvent pour passiver les oxydes [13], [14]. Une simple épaisseur de monocouche ne compense pas totalement la capacité du diélectrique. Cependant, l’auto-assemblage de ces monocouches sur la surface de l’oxyde est un long procédé (plus de 12 heures). De plus, ils dépendent fortement de la morphologie superficielle des oxydes.
Enfin, nos études préliminaires avec les grilles séparées ou pleine plaque, quelle que soit la technique de dépôt ne nous ont pas donné de résultats concluants lorsque nous utilisions les SAMs.
Nous avons donc opté pour une autre approche en utilisant des polymères à leur place. Le dépôt et le séchage de ces couches est réalisé en un temps court (de 30 minutes à 2 heures). La permittivité diélectrique, les impuretés et les propriétés planarisantes des polymères peuvent toutes affecter la performance de l’OFET, c’est pourquoi nous avons décidé d’en étudier trois différents : le PVT, dont la permittivité relative est r = 5 ~ 6, le PMMA (r = 3 ~ 4) et le PS (r = 2 ~ 3) et de comparer leur efficacité. Ils ont également été choisis pour voir les effets de la permittivité diélectrique sur les performances des transistors organiques. Dans le but de ne pas diminuer trop fortement la capacité totale, de très fines couches (PVT : 7 nm ; PMMA : 13 nm ; PS : 17 nm) sont déposées sur la surface anodisée d’AlOx d’épaisseur 35 nm. Pour les mesures de capacités, nous avons réalisé des condensateurs plans de type métal/isolant /métal (MIM) comme présentés dans le chapitre II. Leur structure est rappelée en Figure III-19.
a) b)
Figure III-19. a) Architecture des condensateurs type MIM pour la mesure des capacités ; b) vu de dessus.
Les résultats des mesures sont présentés dans le tableau de la Figure III-20.
Matériaux Epaisseur (nm) Capacité moyenne (nF.cm-2)
AlOx 15 509 ± 6 20 369 ± 9 25 288 ± 9 35 210 ± 12 AlOx + PVT 20 218 ± 27 35 149 ± 8 AlOx + PMMA 20 156 ± 15 35 126 ± 11 AlOx + PS 20 126 ± 6 35 93 ± 8
La rugosité de la surface joue également un rôle significatif dans le transport des charges pour les transistors organiques. Nous avons donc mesuré cette rugosité grâce à l’AFM et la comparaison est visible en Figure III-21.
Figure III-21. Images de la hauteur prise par AFM des couches d’AlOx seul, et des combinaisons AlOx avec les polymères PVT, PMMA et PS.
Comme nous l’attendions, les polymères effectuent un effet de lissage sur la couche d’oxyde. Cela met nettement en évidence un autre avantage de l’usage des polymères qui n’agissent pas que comme couche de passivation. La rugosité de l’oxyde d’aluminium seul est de 0,52 nm. A titre comparatif celle des couples AlOx/PVT, AlOx/PMMA et AlOx/PS sont respectivement de 0,29 nm, 0,28 nm et 0,38 nm.
Les caractéristiques de transfert et de sortie des OFETs avec l’AlOx seul et de ceux avec une couche de passivation supplémentaire sont présentées en Figure III-22 et Figure III-23. Les performances moyennes de ces dispositifs sont regroupées dans le tableau de la Figure III-24.
Figure III-22. Courbes de transfert des OFETs en régime saturé en configuration verre/Al/AlOx/polymère/DNTT/Au. Les polymères utilisés sont le PVT, le PMMA et le PS.
µp,lin (cm2.V-1.s-1) µp,sat (cm2.V-1.s-1) Vth (V) SS (V.dec-1) IOn/IOff AlOx 0,20 ± 0,09 0,19 ± 0,07 - 0.6 ± 0.1 0.20 ± 0.02 1.1x105 ± 5.1x104 PVT 0,32 ± 0,08 0,33 ± 0,07 - 1.2 ± 0.1 0.17 ± 0.02 4.0x105 ± 7.6x104 PMMA 0,63 ± 0,22 0,88 ± 0,11 - 1.7 ± 0.0 0.15 ± 0.01 2.5x106 ± 3.7x105 PS 0,91 ± 0,15 1,05 ± 0,12 - 1.0 ± 0.0 0.14 ± 0.00 2.0x106 ± 2.5x105
Figure III-24. Tableau récapitulatif des performances moyennes des dispositifs pour l’étude du diélectrique et de la couche de passivation.
Les dispositifs OFETs avec l’AlOx sans couche de passivation montre clairement une certaine hystérésis qui peut être attribuée aux charges piégées à la surface de l’oxyde. Ce comportement d’hystérésis disparaît totalement lorsque que le PVT, le PMMA et le PS ont été déposés sur l’AlOx. Cela montre l’efficacité de la passivation de l’oxyde.
La pente sous le seuil de l’oxyde seul est plus élevée (0,19 V.dec-1) que pour les autres dont la valeur est autour de 0,15 V.dec-1. Cela démontre encore la réduction de la densité de pièges à l’interface grâce à la passivation de l’oxyde par la couche de polymère. Ces performances sont excellentes bien que la capacité totale du diélectrique passivé par un polymère est plus faible que celle de l’oxyde d’aluminium seul.
La tension de seuil est dépendante de nombreux facteurs comme les charges intrinsèques au SCO, la densité de pièges, la barrière d’injection de charges, le moment dipolaire à l’interface, la capacité du diélectrique. Les dispositifs avec l’oxyde d’aluminium seul ont une tension de seuil relativement basse vers - 0,5 V. Ceci est probablement dû à la faible profondeur des pièges présents à la surface de l’oxyde qui sont la source des charges intrinsèques libérées lorsque les OFETs sont en position « ON ».
Ce phénomène est également mis en évidence par le fort courant « OFF » observé chez les dispositifs avec l’AlOx seul et on remarque, aussi dans ce cas, que la tension de seuil de la courbe retour (d’une valeur de - 1 V) est dans la même gamme de valeur que les Vth des dispositifs pour le PVT et le PS.
Les mobilités moyennes des porteurs de charges en régime de saturation pour l’AlOx seul et l’AlOx avec PVT, PMMA et PS sont respectivement de 0,19 cm2.V-1.s-1, 0,33 cm2.V-1.s-1, 0,88 cm2.V-1.s-1 et 1,05 cm2.V-1.s-1. L’amélioration des dispositifs passivés par des polymères comparés à ceux avec l’oxyde seul peut être attribuée à la diminution des pièges en surface. Une surface plus lisse contribue également à un meilleur transport de charges dans les OFETs [15].
On peut donc observer une corrélation entre la permittivité diélectrique et le comportement du transport des charges à partir des performances des transistors organiques utilisant le PVT, le PMMA et le PS. Plus la permittivité diélectrique est basse, plus la mobilité est forte. La force du moment dipolaire à l’interface est proportionnelle à la permittivité diélectrique et un moment dipolaire élevé entrave le transport des charges [16].
Une forte mobilité des porteurs couplée avec un faible courant Off permet de réaliser des dispositifs avec un rapport IOn/IOff supérieur à 106 pour les dispositifs avec le PMMA et le PS.