Le transistor à induction statique organique

1.2.3.4.1 Historique

Le mécanisme régissant le fonctionnement des transistors à induction statique organiques (OSITs) ou barrière de potentiel induite ressemble à celui qui régit le fonctionnement des triodes classiques où la grille, la source et le drain agissent respectivement comme grille, cathode et anode. Ce mécanisme est connu depuis très longtemps puisque la toute première lampe triode, appelé Audion, a été développée et brevetée en 1907 par Lee De Forest [83]. Il s’agissait alors d’un tube à vide capable de provoquer l’amplification d’un signal électrique. Le principe reste assez simple, la cathode est tout d’abord chauffée jusqu’à ce que les électrons aient assez d’énergie pour se libérer et former un nuage électronique autour de celle-ci, puis les électrons migrent vers l’anode qui possède un potentiel positif plus grand que celui de la cathode, finalement il suffit de jouer sur la tension de grille, qui se trouve entre l’anode et la cathode, pour laisser plus ou moins passer les électrons permettant ainsi de moduler le signal électronique. Une photographie et un schéma sont visibles sur la Figure 1.43. La mise en œuvre à l’état solide a été réalisée par Shockley dans les années 1950 peu après l’invention

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du transistor à effet de champ [84]. Seulement le succès du transistor à effet de champ et notamment la très grande mobilité du silicium a complétement occulté cette découverte. L’analogue organique de cette triode à l’état solide a été plus récemment développé par Yang

et al. en 1994 [85]. Ces transistors, également appelés transistors à charge d’espace limitée

[86], connaissent un regain d’intérêt aujourd’hui avec l’arrivée de l’électronique organique.

Figure 1.43 : Photographie (a) et schéma (b) de la triode à tube à vide crée par Lee De Forest, appelée Audion.

1.2.3.4.2 Principe de fonctionnement

Les OSITs sont une version organique à l’état solide de la triode à tube à vide. La structure du dispositif, dans lequel le vide est remplacé par un semi-conducteur non-dopé, est montrée en Figure 1.44. La cathode de la triode devient la source dans les OSITs. Celle-ci possède un contact ohmique avec le semi-conducteur alors que la grille devient un métal possédant un contact Schottky avec le semi-conducteur. Enfin l’anode devient le drain avec un contact pouvant être soit ohmique soit Schottky. Lorsque la grille, qui possède des ouvertures, est à la masse elle laisse passer les charges et le transistor se trouve en mode passant. En revanche, lorsque la tension de grille a une tension opposée à la tension de drain, une zone de déplétion vient se créer à l’interface grille/semi-conducteur ce qui va venir gêner le passage des charges. La zone de déplétion augmente avec la tension de grille jusqu’à un certain point où aucune charge ne passe, le transistor est alors en mode bloquant. La nature de l’électrode inférieure n’a ici pas d’importance, il peut aussi bien s’agir du drain ou de la source. On peut noter un point commun entre les OSITs et les triodes à tube à vide, dans les deux cas les charges ne viennent pas de l’extérieur mais sont injectées par la cathode ou l’électrode source formant ainsi une région de charge d’espace nette.

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Figure 1.44 : Schéma d’un transistor à induction statique organique (OSIT).

Deux mécanismes sont essentiels pour bien comprendre le fonctionnement des OSITs : la nature des contacts entre le semi-conducteur et les électrodes et le modèle de charge d’espace limité par l’injection et le transport dans le volume. Dès lors que la différence d’énergie entre le niveau de Fermi de l’électrode et le niveau LUMO ou HOMO, suivant le transport de charge majoritaire, du semi-conducteur est inférieure à 0,25 eV, le contact ohmique est dominant par rapport au contact Schottky. Or, lorsque le contact est ohmique, le transport est limité par la charge d’espace et le transport dans le volume. L’injection de l’électrode source au semi-conducteur est donc limitée par la charge d’espace, ce qui signifie que sans différence de potentiel les charges restent cantonnées à l’espace autour de l’électrode source. Le profil de potentiel entre la source et le drain est donc essentiel puisque c’est lui qui va gouverner le passage des charges de l’un à l’autre. La grille se trouvant entre la source et le drain, c’est elle qui va principalement régir ce profil de potentiel. Comme illustré sur la Figure 1.45, dans le cas de passage de trous par exemple, si le profil de potentiel entre la source et le drain est ascendante, les trous ne pourront pas passer, en abaissant le potentiel, les trous passeront de mieux en mieux jusqu’à arriver dans un régime linéaire ou le potentiel est uniquement contrôlé par la tension de drain. Le phénomène de saturation dans les OSITs est donc contrôlé par le profil de potentiel dans le canal semi-conducteur et ce profil est à la fois influencé par la tension de grille et de drain [87].

Figure 1.45 : Profil de distribution du potentiel dans le canal semi-conducteur d’un OSIT entre la source (emetteur) et le drain (collecteur). La tension de drain est fixée à -2 V et la tension de grille varie de 3V à -3V. Lorsque la tension de grille est opposée à la tension de drain, une barrière de potentiel se créer au niveau de la grille empêchant le passage des charges [88].

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Par ailleurs, de même que pour les VOLETs, l’insertion de semi-conducteur émetteur de lumière y est très facile. Les OSITs électroluminescents peuvent être vus comme une OLED dans laquelle se trouve une grille qui en fonction de la tension appliquée va laisser ou non passer les charges. De plus, la taille du canal est définie par l’épaisseur du semi-conducteur à l’instar des VOLETs. Les OSITs présentent donc l’avantage de fonctionner à de faibles tensions tout en gardant de hautes densités de courant. Les VOLETs possèdent donc globalement les mêmes avantages que les OSITs électroluminescents.

1.2.3.4.3 Les différentes structures

La structure la plus simple pour réaliser un OSIT se compose donc d’un semi-conducteur, et de trois électrodes comme le montre le schéma de la Figure 1.44. Le but est ensuite de trouver les bons matériaux afin d’adapter les interfaces et les bandes d’énergie pour fabriquer un OSIT fonctionnel. Kudo et al. [89] ont pour cela utilisé une source et un drain en or, une grille en aluminium et du phthalocynine de cuivre (CuPc) comme semi-conducteur organique. Le CuPc possédant une HOMO de -5,2 eV, l’or un travail de sorti de -5,2 eV et l’aluminium un travail de sorti de -4,1 eV, on a bien un contact ohmique entre l’or et le CuPc et Schottky entre l’aluminium et le CuPc. Cette structure a permis d’atteindre des densités de courant de 4 mA/cm² a une tension de drain de 3 V. Ces performances, bien que très bonnes pour un transistor, ne rivalisent toutefois pas avec celles des meilleurs VOLETs.

La faisabilité de ces transistors sur des substrats flexibles et pour obtenir des transistors électroluminescents a de plus été démontrée. Les substrats flexibles souffrent généralement de la faible densité de courant et des hautes tensions de fonctionnement des transistors organiques planaires. Les OSITs sont donc une alternative très intéressante pour remplacer ces transistors. Bien que des optimisations soit encore nécessaires pour une réelle application à des pixels dans une matrice active, la faisabilité d’OSITs à base de pentacène sur substrats flexibles a été montrée par Kudo et al. [90]. De même, des OSITs électroluminescentes ont été réalisés par la même équipe [91]. Ces derniers transistors ont été réalisés en insérant une grille en aluminium au centre d’une structure OLED composée de 4,4’-bis[N-(1-napthyl)-N-phenyl-amino]biphenel (α-NPD) et tris-(8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq3) (Figure 1.46).

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Figure 1.46 : Représentation vue de côté de l’OSIT électroluminescent réalisé par Kudo [91].

Comme on l’a vu, des améliorations sont nécessaires pour optimiser les performances de ces transistors. Plusieurs pistes sont possibles comme le montre Endoh et al. [92]. La première est l’amélioration du contact Schottky entre la grille et le semi-conducteur. Il est par exemple possible d’introduire de l’oxygène sur une grille en aluminium pour améliorer ce contact. Ensuite, leur équipe a montré que la taille des ouvertures de la grille joue un rôle important. Plus la taille des ouvertures est grande, plus il sera difficile de contrôler le courant, des techniques de micro-fabrication doivent donc être mises en œuvre pour diminuer cette taille. La structure du transistor peut également être modifiée en introduisant par exemple des matériaux isolants en dessous ou au-dessus de la grille afin de concentrer les effets de la tension de grille au niveau du passage des charges. Enfin, un semi-conducteur avec de fortes mobilités de charges reste un élément essentiel à trouver pour obtenir des transistors avec de bonnes performances.

Nakayama et al. [93] ont pu optimiser certains de ces aspects en fabriquant un OSIT électroluminescent multicouche présentant une émission homogène de lumière sur toute la surface du transistor. La luminescence obtenue est de 370 cd/cm² à une tension de drain de 20 V et une tension de grille de 3 V. Des couches avec une forte mobilité ont été utilisées au niveau de la grille et une structure OLED déjà optimisée a été utilisée entre la grille et le drain. Ici, l’électrode de grille n’a pas de trous pour laisser passer les charges. Elle est en revanche assez fine pour les laisser passer lorsque qu’une tension positive lui est appliquée.