Interface électrode/couche organique

Pour que l’injection de charge soit la meilleure possible, le contact entre les électrodes source-drain en métal et le semi-conducteur doit être ohmique. C’est-à-dire que le niveau de Fermi du métal et le niveau HOMO ou LUMO du semi-conducteur doivent concorder pour éviter que les charges aient à passer une barrière énergétique. Pour un semi-conducteur de type-p, le niveau de Fermi doit concorder avec le niveau HOMO alors que pour un semi-conducteur de type-n il doit concorder avec le niveau LUMO comme représenté sur la Figure 1.17. Lorsque la barrière est trop grande, le contact est alors appelé contact Schottky. Seulement, connaître les niveaux d’énergie des électrodes et du semi-conducteur ne suffit pas, des phénomènes peuvent rentrer en compte comme le transfert de charge ou la formation de dipôles d’interface ce qui peut induire des phénomènes de courbure de bandes venant augmenter ou diminuer cette barrière. La qualité de l’interface entre le semi-conducteur et les électrodes source/drain est caractérisée par la résistance de contact.

Figure 1.17 : Schéma d'alignement des niveaux énergétiques lors d'un contact métal/semi-conducteur (a) de type-p et (b) de type-n. EFM et EFSC représentent respectivement les niveaux de Fermi du métal et du semi-conducteur.

Ainsi, bien que dans une interface électrode/couche organique idéale le contact soit supposé ohmique, en réalité, le contact Schottky est généralement présent. Le paramètre le plus important pour évaluer l'interface électrode/couche organique est donc la barrière d'injection de porteurs. Néanmoins, la structure du dispositif influence également la résistance de contact. Certaines structures qui possèdent de grandes zones d'injection conduisent à une résistance de contact plus faible par exemple. La géométrie du dispositif et les techniques de dépôt peuvent également affecter la qualité du contact : des électrodes en métal déposées sur

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le semi-conducteur organique peuvent, par exemple, créer des défauts appauvrissant la qualité de l’interface. Finalement, la barrière d'énergie, la zone d'injection du porteur et la qualité du contact sont trois facteurs principaux qui déterminent la qualité de l'interface électrode/couche organique.

Il existe plusieurs possibilités pour améliorer ce contact qui n’est souvent pas idéal. L'or par exemple a largement été utilisé comme électrode source-drain dans les OFETs à base de semi-conducteurs de type-p. Cependant, l’utilisation de l’or comme électrode reste coûteuse et l’aluminium (Al), le cuivre (Cu) et l’argent (Ag) ne conviennent pas à la plupart des OFETs de type-p en raison de leur faible travail de sortie. La première méthode pour améliorer l’interface est l'introduction d'une couche tampon entre l'électrode source-drain et la couche organique. Cette technique est fréquemment appliquée afin de réduire la barrière énergétique, augmenter la mobilité et empêcher la pénétration des atomes métalliques dans les couches organiques. En utilisant cette technique, on a par exemple découvert que le cuivre peut être une excellente électrode drain avec le pentacène, aussi bonne que l'électrode source-drain en or, bien qu'elle ne soit pas compatible avec le niveau d’énergie de la couche de pentacène [34]. Ceci est dû à la formation de CuxO à l'interface cuivre/pentacène pendant le processus de dépôt de cuivre (Figure 1.18a). Grâce à cette couche tampon, les niveaux d'énergie peuvent se combiner et conduire à une amélioration de l'injection de porteurs.

La deuxième façon d'améliorer l'injection de porteurs consiste à agrandir la taille des grains près de l'électrode pour améliorer la compatibilité entre les métaux et les semi-conducteurs organiques. Les grains autour des électrodes source-drain sont en effet généralement plus petits que ceux du canal, ce qui conduit à une mauvaise compatibilité électronique. Par exemple, la modification de l'électrode en or par une monocouche auto-assemblée à base de thiol conduit à une amélioration de la mobilité par une augmentation de la taille des grains en contact avec l’électrode [35], [36]. Il est également possible d'utiliser des électrodes source-drain en Cu et en Ag chimiquement modifiées avec du 7,7,8,8-tétracyanoquinodiméthane (TCNQ) pour améliorer le travail de sortie des électrodes [37] (Figure 1.18b). La compatibilité entre les électrodes modifiées et le pentacène est vraiment bonne car leurs tailles de grains sont similaires. Cela réduit la barrière d'injection de trous et améliore l’interface électrode/semi-conducteur. Des résultats similaires sont également observés avec le graphène sur l'électrode source-drain grâce à la structure du graphène qui est similaire à celle de nombreux semi-conducteurs organiques tels que le pentacène [38], [39].

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Figure 1.18 : Transistor organique avec des électrodes source/drain en cuivre. Deux techniques de modification des électrodes pour améliorer l’injection de charge à l’interface métal/semi-conducteur sont illustrées: (a) avec une couche tampon ou (b) en élargissant la taille des grains du semi-conducteur près de l’électrode [33].

Une autre manière de diminuer la résistance de contact est de modifier la surface de contact à l’interface : une grande surface de contact conduit à une faible résistance de contact. C'est pourquoi l'introduction de rugosité dans les électrodes source-drain est un bon moyen de réduire la résistance de contact. Une surface à forte rugosité possède une plus grande surface de contact électrode/semi-conducteur qu’une surface plane à plus faible rugosité et l'effet néfaste d'une surface rugueuse sur le diélectrique n'entraîne pas d'influence défavorable significative par rapport à l'injection obtenue avec un support de rugosité appropriée [40].

L'interface électrodes source-drain/couche organique détermine également les caractéristiques de transport des porteurs. Bien que l'on ait cru que l'interface électrode/couche organique ait peu d'influence sur le canal conducteur, certaines recherches ont prouvé que les électrodes source-drain peuvent influencer la croissance d'une couche organique au niveau de celle-ci [41]. Les cristaux organiques croissent en effet préférentiellement sur les électrodes dont la rugosité a été modifiée car cela conduit à une énergie de surface plus élevée offrant ainsi une surface privilégiée pour la nucléation hétérogène. Le dépôt de cristaux organiques près des électrodes et ensuite la croissance cristalline dans une certaine direction peut donc être contrôlée. Pour cette raison, l'interface électrode/couche organique offre un excellent moyen d'améliorer l'injection et le transport des porteurs.

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