Matériaux inorganiques :

Trois matériaux semi-conducteurs ont émergés et offrent plus ou moins des propriétés requises pour la réalisation de la couche active du canal des TFTs : le séléniure de cadmium (CdSe), le silcium amorphe (a-Si) et le silicium polycristalin ou polysilicium (poly-Si) [23]. Si les deux premiers matériaux ont présenté des avantages majeurs, leurs inconvénients sont indéniables dans l’adressage matriciel de l’écran [41].

     25 a/ Silicium amorphe :

L’arrangement des atomes dans le silicium amorphe est irrégulier présentant des distorsions apparentes dans le réseau comme il est montré par la figure I.12. Une distribution des états électroniques induite se traduit par l’apparition d’états localisés dans la bande interdite en haut de la bande de valence et en bas de la bande de conduction, que l’on appelle les queues de bande. Ces distorsions peuvent devenir suffisamment importantes pour empêcher une liaison de se former, et ainsi donner lieu à des liaisons pendantes.

Etant donné ses performances électroniques dégradées, le silicium amorphe fût rapidement abandonné dans la technologie de l’affichage au profit du silicium polycristallin dont les avantages sont indéniables. En effet, les dispositifs à base de silicium amorphe hydrogéné (a- Si :H) dont les propriétés de transport (µn = 1 cm²/V.s et µp = 10^-3 cm²/V.s) n’offrent pas de grande vitesse nécessaires à l’adressage d’ un écran LCD ou à un signal vidéo.

b/ Silicium polycristallin ou polysilicium :

Le silicium polycristallin couramment appelé polysilicium est composé de grains monocristallins séparés les uns des autres par des régions désordonnées et riches en défauts cristallins appelées "joints de grains" (voir figureI.14).

Fig.I.12. Liaisons pendantes et représentation de la densité d’états énergétique dans la bande interdite du silicium amorphe [41].

     26 Chacun de ces deux composants (grains et joints de grains) possède des caractéristiques propres : Le grain peut être défini par sa taille et par sa qualité cristalline, alors que les caractéristiques essentielles du joint de grain sont sa dimension, son épaisseur et plus particulièrement sa densité de défauts [42]. On peut donc distinguer plusieurs types de polysilicium qui seront classés selon deux critères :

• Texture et taille des grains.

• Densités de défauts intragranulaires et intergranulaires.

La structure du polysilicium dépend étroitement des conditions de dépôt, des méthodes de cristallisation et des post-traitements (recuit, hydrogénation…). Son mécanisme de conduction électrique est gouverné par le transport à travers le joint de grain où le phénomène de piégeage des porteurs joue un rôle prédominant. Ainsi, dans l'hypothèse d'un matériau polycristallin formé de grains de tailles identiques Lg (µm), de joints de grains d'épaisseur négligeable par rapport à lg avec une densité de pièges NT mono énergétique localisée par un niveau d'énergie Et dans la bande interdite, le problème peut être ramené au modèle de barrière de potentiel qui a été développé par KAMINS puis repris par LEVINSON [43]. Ce modèle tient compte des états pièges présents aux joints de grains qui deviennent électriquement actifs, et créent une barrière de potentiel. La mobilité effective des porteurs libres se trouve alors réduite dans la couche active (en polysilcium) qui constitue le canal du TFT (Voir Fig.I.13).

Ce phénomène de piégeage des porteurs joue un rôle prépondérant dans le mécanisme de conduction du polysilicium, qui se répercute directement sur les caractéristiques électriques du transistor en couche mince à base de polysilicium ou TFT en poly-Si.

     27 Par ailleurs, l’élaboration du film de polysilicium est obtenue par décomposition du disilane Si2H6 en phase vapeur à basse pression LPCVD (Low Pessure Chemical Vapor Deposition) et à faible température (T=480°C). Cette étape est suivie par une implantation ionique du bore à une dose de 5x10¹⁵cm^-2 dans le cas du film polysilicium de type P. Alors que la couche polycristalline de type N a été élaborée par procédé LPCVD à Td=450°C puis dopée in-situ au phosphore et recuit sous R.T.A à 1050 °C durant 30s.

L’observation du film polycristallin, par la technique de Microscopie Electronique à Balayage (MEB), nécessite une étape de préparation préliminaire. Cette dernière consiste à faire tremper le film obtenu pendant quelques secondes dans une solution SECCO qui vise à révéler les grains tout en attaquant les joints de grains qui sont des régions amorphes.

Fig.I.13. Structure d’un TFT à base de polysilicium [43] (a) Représentation de la structure du TFT à 3D

(b) Distribution des bandes d’énergies dans le cas d’une déplétion complète des grains (c) Distribution des bandes d’énergie dans le cas d’une déplétion partielle des grains

Ei EF Ec Ev (b) EF ET Lg Ec Ev (c)

     28 La figureI.14 représente une image MEB d'une couche de polysilicium implantée bore après recuit thermique à 850°C durant 15 minutes, où nous observons une structure typiquement polycristalline à gros grains dont la taille moyenne d’un grain est estimée à 1,5 µm d’environ (Fig.I.14 (a)). Quant à la Fig.I.14 (b) représente l’observation MEB d’un film de polysilicium dopé au phosphore (recuit sous R.T.A à 1050°C) à petits grains (0.3µm.).

L’intérêt du polysilicium est encore un domaine d’actualité, pour la fabrication des TFTs qui sont de nos jours établis comme faisant partie d’un développement technologique important. Ces derniers se focalisent sur les filières TFTs en poly-Si élaborés à basse température vu qu’elles sont parfaitement compatibles et adaptées à leurs contraintes (application en grande surface, faible coût, écrans souples …).

Par conséquent, la technologie du silicium polycristallin à basse température, qui présente des caractéristiques électriques nettement meilleures (mobilité supérieure à 200 cm2/V.s), facilite l’intégration directe de tous les dispositifs TFTs sur un substrat en verre ou plastique. Ce qui permet d’éviter nombreux problèmes de leurs connexions vers l’extérieur, tout en assurant une meilleure fiabilité (bon fonctionnement électrique) [26].

Dans le cadre de cette thèse, nous n’étudierons que les TFTs en poly-Si élaborés à basse température ou TFTs LTPS (600 °c comparé au procédé technologique du mon-silicium à 1000°C), en raison de leur rôle dans le progrès spectaculaire de la technologie Fig.I.14. Observation MEB d’un film de polysilicium élaboré par la technique L.P.C.V.D.

(a) Film de polysilicium à gros grains, dopé bore après recuit thermique (850 °C, 15 mn). (b) Film de polysilcium à petit grains, dopé phosphore après recuit thermique (1050 °C, 30s)

     29 d’affichage en particulier. En plus, une couche polycristalline permet de graver des circuits plus performants d’un facteur 100 par rapport au silicium amorphe et, bien sûr, d’obtenir une plus grande finesse [44].

IV.2. Régimes de fonctionnement du TFT en poly-Si à basse température :