Semi-conducteur de type-p

3.2.2.2.1 Caractéristiques de sortie et de transfert

Les caractéristiques de sortie et de transfert sont tout d’abord montrées pour le transistor avec électrode en or. Pour le semi-conducteur de type-p, en plus de l’ajout d’une couche de calcium de 100 nm au-dessus de la couche de pentacène de 100 nm suivant la structure de la Figure 3.14d, une structure OLED est ajoutée entre le pentacène et le calcium. Cette structure OLED est composée de 50 nm de NPD (N,N’-Di(1-naphthyl)-N,N’-diphényl-(1,1’-biphényl)-4,4’-diamine) et de 85 nm d’Alq3 (Tris-(8(hydroxyquinoline)aluminium). Cette structure a déjà été testée et optimisée dans l’équipe avec une anode en ITO et une cathode en calcium, elle a donc pu facilement être intégrée au transistor. L’intérêt d’ajouter une telle structure ici est de pouvoir visualiser l’endroit où a lieu l’injection de charges en visualisant l’endroit où la lumière est émise par recombinaison. La structure testée est représentée sur la Figure 3.48.

Figure 3.48 : Structure du transistor organique vertical fabriqué à base d’or et de pentacène.

Le travail de sortie de l’or est de 5,1 eV et la HOMO du pentacène est de 4,9 eV, il n’y a donc théoriquement pas de barrière Schottky entre le pentacène et l’or, le contact est ohmique et les charges sont théoriquement injectées même si la tension de grille est nulle. C’est ce que l’on constate lors des premiers tests réalisés, dont les résultats sont visibles sur la Figure 3.49. Une forte densité de courant, de 5.10^-2 mA.cm^-2 est mesurée pour une tension de drain de seulement 3,5 V. Aucune modulation de courant n’est, à priori, visible sur les courbes de sortie. Cependant, si on regarde la courbe de transfert, on peut tout de même voir une augmentation du courant pour des tensions de grille négative. Cela signifie, qu’une légère modulation du courant a lieu, même si elle n’est pas suffisante pour être visible sur les courbes de sortie. Cette modulation implique une faible barrière Schottky entre l’or et le

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pentacène, contrairement à la théorie. Cette modulation est également visible sur le transistor lui-même puisque l’intensité lumineuse augmente alors que la tension de grille diminue, bien que le transistor ne soit jamais totalement éteint.

Figure 3.49 : (a) Caractéristiques de sortie du transistor à base d’or et de pentacène pour des tensions de grille variant de -50 V à 50V, en insert une photographie du transistor à une tension VDS = -3,5 V, et (b) caractéristique de transfert du même transistor à une tension de drain de -3,5 V.

Deux types de courant peuvent être distingués dans ce transistor, un courant direct dominant entre l’électrode source et l’électrode drain qui passe par le dessus de l’électrode source et un courant indirect induit par l’électrode de grille qui passe par la face latérale des ouvertures de l’électrode source à l’interface électrode/diélectrique/semi-conducteur. Le courant direct n’est pas modulé par l’effet de grille alors que le courant indirect l’est. Ces deux types de courant sont représentés sur la Figure 3.50. Pour visualiser le courant indirect et observer la modulation du courant, il faut donc soustraire le courant à VG = 50 V aux autres courbes de courant. En effet, le courant à VG = 50 V correspond théoriquement à un courant indirect nulle, il s’agit donc du courant direct seul. En enlevant le courant direct du courant total, on obtient donc le courant indirect. La modulation du courant est alors visible. Il augmente bien lorsque la tension de grille diminue, indiquant qu’une tension de grille négative induit une diminution de la barrière de potentiel au niveau des ouvertures et facilite le passage des charges. Le courant direct est ici largement supérieur au courant indirect contrairement au semi-conducteur de type-n. Cela implique un rapport ION/IOFF de seulement 1.

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Figure 3.50 : Schéma du transistor vertical à base d’or et de pentacène et représentation des courants direct (en bleu) et indirect (en rouge). Les courbes de sortie du courant total et indirect sont également représentées.

Afin de limiter le courant direct et concentrer les charges au niveau de l’interface diélectrique/semi-conducteur, une résine isolante est déposée au-dessus de l’électrode en or. Il s’agit d’une résine commerciale AZ5214E de 1 µm d’épaisseur. Cette résine, bien que non optimale car très épaisse, permet de visualiser la modulation du courant lorsque la tension de grille varie de -50 V à 50 V comme le montre résultats de la Figure 3.51. De la même manière que pour le transistor de type-n, le courant de drain n’est pas nul lorsque la tension de grille est nulle. Cela est cohérent avec le fait que la barrière ne soit pas suffisante pour bloquer toutes les charges. L’application d’une tension de grille positive permet d’augmenter la barrière. Le rapport ION/IOFF, de 1,8.10², est similaire au transistor à base d’or et de PTCDI-C13. Une émission de lumière est, de plus, obtenue au niveau des ouvertures. Bien que l’intensité lumineuse reste faible, le transistor s’allume et s’éteint en modulant la tension de grille pour une tension de drain constante. On a donc bien un transistor vertical électroluminescent organique. Néanmoins, l’utilisation de résine n’est pas optimale ici ce qui implique une émission de lumière non homogène.

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Figure 3.51 : (a) Caractéristiques de sortie du transistor à base d’or et de pentacène avec résine pour des tensions de grille variant de -50 V à 50V et (b) caractéristique de transfert du même transistor à une tension de drain de -30 V. Une photographie du transistor à une tension de drain de -30 V et une tension de grille de -50 V est présenté avec la caractéristique de transfert.

3.2.2.2.2 Mécanismes d’injection

Afin de mieux comprendre les processus d’injection, les courbes de Fowler-Nordheim sont tracées pour ce transistor comme le montre la Figure 3.52a. On observe un mécanisme d’injection par effet tunnel pour les hautes tensions de drain et un mécanisme thermo-ionique pour les faibles tensions. La présence d’un mécanisme d’injection par effet tunnel confirme qu’une barrière de potentiel existe bien entre l’or et le pentacène. Par ailleurs, la détermination des tensions de seuil grâce aux courbes de sortie tracées en échelle semi-logarithmique (Figure 3.52c) et leur comparaison avec les tensions de transition entre les deux mécanismes d’injection (Figure 3.52d) montre que le mécanisme principal responsable de l’injection des charges est l’effet tunnel. Les courbes de Fowler-Nordheim permettent également le calcul des barrières d’énergie en fonction de la tension de grille (Figure 3.52b). Comme attendu, la tension de grille influence la hauteur de la barrière. Plus la tension de grille est haute, plus la hauteur de la barrière est importante. La barrière d’énergie effective pour une tension de grille nulle est de 0,12 eV et la modulation est de 0,09 eV comme c’était déjà le cas avec le PTCDI-C13.

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Figure 3.52 : (a) Courbes Fowler-Nordheim, ln(JDS/VDS²) en fonction de 1/VDS, pour le transistor à base d’or et de pentacène et (b) variation de la barrière d’énergie avec la tension de grille. (c) Caractéristiques de sortie du transistor pour des tensions de grille variant de -50 V à 50V en échelle semi-logarithmique et (b) comparaison des valeurs de tension de seuil VONSET et de transition VT pour différentes valeurs de tension de grille.

3.2.2.2.3 Influence de la nature de l’électrode source

Sur la structure avec électrode en argent, un dépôt de calcium par évaporation thermique sous vide a également été fait sur le pentacène et la structure OLED présentée précédemment. Comme prédit par les mesures capacitives, on observe bien une injection de l’électrode en argent vers le pentacène. Cette injection a lieu sur toute la surface de l’électrode source comme on peut le constater en regardant l’emplacement spatial de la lumière produite par l’OLED. Ainsi, de la même manière qu’avec l’électrode en or, on peut en déduire que la barrière d’injection n’est pas assez élevée pour empêcher le passage des charges quelle que soit la tension de grille appliquée. Le courant direct est donc prédominant et seule une très faible modulation est observée sur les caractéristiques de sortie présentées sur la Figure 3.53a. On observe cependant mieux sur les caractéristiques de transfert présentées sur la Figure 3.53b la modulation du courant avec la tension de grille démontrant que l’on a bien un transistor organique vertical émetteur de lumière.

a) b)

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Figure 3.53 : (a) Caractéristiques de sortie du transistor à base d’argent et de pentacène pour des tensions de grille variant de -50 V à 50V, en insert une photographie du transistor à une tension VDS = -5 V, et (b) caractéristique de transfert du même transistor à une tension de drain de -5 V.

La nature de l’électrode source n’a pas permis ici de modifier la barrière d’injection avec le pentacène. Les courants de drain mesurés sont similaires, mais ils sont obtenus à des tensions de drain légèrement inférieures pour l’électrode en or, cela permet de conclure que l’interface or/pentacène est légèrement meilleure que l’interface argent/pentacène en terme de résistance de contact. L’optimisation de ce transistor n’a pas pu être faite durant cette thèse, mais l’utilisation d’une couche isolante au-dessus de l’électrode source devrait permettre d’améliorer les résultats. Une étude des interfaces semble également intéressante ici pour créer une barrière d’injection à l’interface électrode source/pentacène.