Chapitre 3 : Réalisation technologique des transistors organiques
I. Réalisation des transistors Grille basse Contact Bas
La structure réalisée est de type Grille basse Contact Bas (Figure.3.1). Notre choix s’est porté sur cette géométrie, car elle est relativement facile à mette en œuvre. Dans cette structure, la couche active est déposée dans la dernière étape de fabrication du transistor et ne subit donc aucune contrainte provenant du procédé de fabrication. Cependant, comme nous l’avons décrit dans le chapitre 2, la structure Grille basse Contact Bas n’est pas la plus favorable pour obtenir les meilleures performances des dispositifs (résistance d’accès, croissance de la couche sur le métal injecteur).
Figure 3.1 : schéma 3D de la structure des OTFT grille basse Contact Bas
I.1 Dépôt de la grille
Le procédé commence par la fabrication du contact de grille. Sur un substrat en verre préalablement nettoyé, une couche d’aluminium d’épaisseur e=150nm est déposée en pleine plaque par évaporation thermique sous vide secondaire (le principe de la technique est donné en annexe). Après un procédé de photolitographie via un 1er masque, on définit la grille du transistor Fig.3.2.
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I.2. Isolant de grille
Le choix de l’isolant de grille pour les transistors organiques varie beaucoup d’un laboratoire à l’autre. Généralement, c’est l’oxyde de silicium (SiO2, inorganique, fonctionnalisé ou pas) qui est utilisé. Dans ce travail, la perspective est la réalisation d’un OTFT tout organique. Pour cela, nous avons privilégié l’utilisation d’un isolant organique, en l’occurrence une photorésine réticulée SU8 2000.5 de Microchem. La SU-8 est déposée à la tournette par étalement (spin coating). L’utilisation d’une résine réticulée permet d’obtenir un matériau relativement dense et donc ayant de bonnes propriétés isolantes. Les propriétés de la couche de résine SU8 2000.5 utilisée comme isolant de grille et les conditions de sa fabrication seront décrits en détail dans la suite de ce chapitre.
Figure 3.3 : Dépôt de l’isolant de grille.
I.3 Contact S/D :
La troisième étape de la réalisation du transistor consiste en un dépôt d’une couche d’or d’épaisseur 100nm afin de réaliser les contact source et drain. Le dépôt d’or est réalisé par une technique d’évaporation thermique au canon à électrons (technique détaillée en annexe). Une étape de photolithographie, permet d’aligner les contacts source/drain sur la grille afin que les dispositifs soient opérationnels.
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Figure 3.4 : Alignement des contacts source/drain en or
Une dernière étape de gravure est réalisée, elle consiste en une gravure sèche de la SU-8 présente sur les contacts déportés en aluminium. La gravure est réalisée sous un plasma d’oxygène à un flux de 50sccm sous une puissance de 100W, le tout maintenu sous une pression de 10mTorrs. Dans ces conditions, la vitesse de gravure de la SU-8 est d’environ 100nm/min, 3min et 30s suffisent afin de la graver entièrement et libérer la prise de contact sur la grille.
I.4 Dépôt de la couche active :
Le choix d’une structure Grille basse Contact Bas permet de préserver la couche active en la déposant en dernier. La couche active est évaporée, sous vide secondaire, en utilisant des masques physiques. La cinétique de dépôt est contrôlée par une balance à quartz, ainsi l’épaisseur finale de la couche est contrôlée. Il est aussi possible de faire varier la température du substrat lors du dépôt de la couche active.
Lors de l’évaporation sous vide, un gaz de la molécule se forme et se condense près du substrat. Deux paramètres essentiels sont à prendre en considération lors de la croissance : la température du substrat, qui correspond à l’énergie du substrat, et la vitesse de dépôt, qui correspond au flux de molécules évaporées. Ces 2 paramètres peuvent être ajustés dans le réacteur utilisé.
Dans le cas d’un gaz monoatomique, à son arrivée, un atome possède une énergie cinétique Ec. A l’approche du substrat, il peut, soit subir une force d’attraction et donc se déposer sur le substrat, soit être réfléchi dans l’enceinte et ne pas se déposer. Dans le cas où l’atome se dépose sur le substrat, on dit qu’il est adsorbé et devient un adatome. Une fois l’interaction
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avec le substrat réussie, l’adatome communique son énergie cinétique au réseau formant le substrat. Cet adatome peut diffuser et ne pas rester sur le premier point d’arrivée du substrat. Sa mobilité (ou diffusion) dépend essentiellement de l’énergie du substrat. L’adatome diffuse jusqu’à ce qu’il rencontre un site de germination où le processus de nucléation commence suivi d’un processus de croissance [2].
Dans le cas d’une croissance sous forme de grains, la taille des grains dépend des deux paramètres : énergie du substrat et flux de molécules arrivant au substrat.
A flux de molécule constant et donc pour une vitesse de dépôt fixe, l’augmentation de l’énergie du substrat induit une diffusion plus importante. Les adatomes diffusent sur une longue distance jusqu’à trouver une position favorable pour former des grains. Ces grains ont ainsi une taille importante.
A énergie de substrat fixe et donc pour une température fixe, un flux de molécules faible induit des grains de taille importante. Pour un flux de molécules important, les grains n’ont pas le temps de grossir et on obtient un nombre important de grains de faible taille.
La mobilité à effet de champ des transistors augmentant avec la taille des grains [3], il est important d’optimiser la vitesse de dépôt et la température du substrat pour aboutir à des grains de grande taille.
En conséquence, l’étude de l’influence de ces paramètres sur la structure des couches déposées et sur la mobilité des porteurs dans les transistors, fera l’objet d’une attention particulière lors de l’optimisation de nos transistors basés sur différentes molécules.
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