PARTIE II : LES TRANSISTORS ORGANIQUES DE TYPE N à base de IF syn méta
II.3 Stabilité électrique des transistors IF(CN 2 ) 2 méta
La figure 4.30 montre les caractéristiques de transfert, d’un OTFT à base de IF(CN2)2 méta de dimension W/L=500µm/10µm, mesurées pour des tensions de grille croissantes puis décroissantes. Un décalage entre les deux courbes est constaté, le décalage de la tension de seuil est estimé à 16V. Ce déplacement reste très important, il est nécessaire de le réduire.
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Figure 4.30 : Mesure d’hystérésis d’un OTFTs à base de IF(CN2)2méta. Le déplacement de la caractéristique est estimé à 16V.
II.3.2 Stabilité dans le temps des transistors à base de IF(CN2)2 méta
La stabilité dans le temps des transistors stockés sous azote a été suivie pendant 9 mois. Sur la figure 4.31, nous représentons ses caractéristiques de transfert le jour de la fabrication et 9 mois après fabrication.
Figure4.31: Caractéristiques de transfert d’un OTFT, le jour de fabrication, 9 mois après fabrication et après recuit à 110°C après ces 9 mois
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Après 9 mois de stockage sous azote, on constate un décalage de près de 15% de la tension de seuil VTH. Cependant, ce décalage est réversible. Un recuit à 110°C sous azote pendant 90 minutes restore complètement la caractéristique.
II.3.3 Stabilité en fonctionnement des OTFTs à base de IF(CN2)2 méta
La stabilité en fonctionnement est évaluée en soumettant les transistors à une tension grille supérieure à la tension de seuil afin de simuler un fonctionnement en régime direct (on-state) des transistors, les contacts source et drain étant court-circuités. Cette tension de grille est appliquée pendant 3 heures. Elle est supprimée toutes les 10 minutes, le temps de l’acquisition d’une caractéristique de transfert. Comme lors de la caractérisation des transistors à base de LPP (CN2)2, les effets de faibles et de fortes tensions de grille sont étudiés successivement. II.3.3.1. Faible tension de stress VGStress-VTH=20V et différentes Tstress
Cette étude a été effectuée à 2 températures 30°C et 40°C afin de tester l’effet de la température sur la stabilité des transistors.
L’évolution de la tension de seuil (ΔVTH) pendant 3 heures d’un stress équivalent à VGStress- VTH= 20V appliqué à 30°C et 40°C est représentée dans la figure 4.32 pour un transistor de dimension W/L=1000µm/20µm.
Comme attendu, la variation de la tension de seuil est plus importante pour un stress appliqué à plus haute température. La variation est de 17V à 30°C et 19,8V à 40°C. Cette variation reste comparable voire faible par rapport à d’autres travaux rapporté sur la molécule IF- monoF-dione, où la tension de seuil sous les mêmes conditions doublait après 90min de stress seulement [17].
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Figure 4.32 : Variation de la tension de seuil d’un transistor de dimension W/L=1000µm/5µm à base de IF(CN2)2 méta soumis à une tension grille VGSstress, avec VGStress-VTH= 20V, à 30°C
et 40°C pendant 3 heures. Les courbes en tirets représentent un lissage par l’équation d’exponentielle étirée (modèle de nouvel équilibre structural de la couche active sous l’effet
du stress)
Ces courbes d’évolution de la tension de seuil pendant le stress peuvent correspondre à l’établissement d’un nouvel équilibre structural de la couche active sous l’effet du fort champ électrique appliqué ou à un piégeage de porteurs dans l’isolant de grille injectés par le fort champ appliqué. La variation peut être lissée par une loi en exponentiel étirée dans le premier une loi logarithmique dans le second cas.
t t V V VTH ( GStress TH( 0)) 1 exp 0 1 t t Log r VTH d
La figure4.32 montre un lissage presque parfait des courbes expérimentales par la loi en exponentiel étirée. Le coefficient de corrélation R2 du lissage est égal en effet à 0,995 et 0,991 pour les courbes 30°C et 40°C respectivement.
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(sec)
Stress à 30°C 0.18 5.5x103
Stress à 40°C 0.28 2x103
Tableau 4.8: paramètres de lissage et de la variation de la tension de seuil par l’équation en exponentiel étirée sous l’effet des stress à 30°C et 40°C.
Ces paramètres de lissage semblent cohérents avec les valeurs annoncées pour les transistors organiques [6], [7], [17]. De plus, comme attendu dans ce modèle, augmente et diminue quand la température de stress augmente.
On pourrait ainsi conclure que l’établissement d’un nouvel équilibre structural dans la couche active est à l’origine du déplacement de la caractéristique de transfert.
Cependant, un essai de lissage des courbes expérimentales par la loi logarithmique est presque aussi parfait que le premier avec des coefficients de corrélation du lissage de 0,995 et 0,992 pour les températures de 30°C et 40°C (Figure 4.33).
Figure 4.33 : Lissage des variations de la tension de seuil de la figure 4.32 par l’équation logarithmique (modèle du piégeage de porteurs dans l’isolant de grille).
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rd (V) t0 (sec)
Stress à 30°C 3,82 0.4
Stress à 40°C 5,7 3,34
Tableau 4.9: paramètres de lissage rd et t0 de la variation de la tension de seuil par l’équation logarithmique sous l’effet des stress à 30°C et 40°C.
Les valeurs de rd et t0 sont comparables à ce que l’on trouve dans la littérature [19].
Les bons lissages par les 2 modèles ne permettent pas de décider du modèle dominant. Afin d’essayer de favoriser le piégeage, nous augmentons fortement la tension de grille appliquée pendant le stress. La figure 4.34 montre la variation de la tension de seuil d’un transistor soumis à une tension grille VGSstress-VTH=40V, à 30°C.
II.3.3.2.Fort VGstress-VTH=40V
Figure 4.34 : Variation de la tension de seuil d’un transistor de dimension W/L=1000µm/5µm à base de IF(CN2)2 méta soumis à une tension grille VGS, VGSstress-VTH=40V, et son lissage
par la fonction logarithmique
Le lissage par la fonction logarithmique correspondant au modèle de piégeage est aussi bon que les précédents avec un coefficient de corrélation 0,993. Les paramètres de lissage rd et t0 sont égaux à 7,46V et 14,2 s respectivement.
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Comme pour le stress à faible tension de grille, nous avons tenté de lisser la même courbe expérimentale par l’exponentielle étirée sans aucun succès. Il n’est pas possible de lisser la courbe par cette loi.
Cet échec permet d’attribuer la variation de la tension sous stress à forte tension de grille au piégeage prédominant des porteurs dans l’isolant de grille.
Pour confirmer l’attribution du déplacement au piégeage dans l’isolant, nous nous sommes intéressés à la variation du courant direct du transistor pendant le stress. Le courant direct diminue symétriquement à l’augmentation de la tension de seuil (Figure 4.35(a)). En conséquence de cette symétrie, le rapport de la variation du courant sur la variation de la tension de seuil est presque constant (Figure 4.35(b)).
Figure4.35: Evolution symétrique du courant direct (a), pris ici à VGS=60V, et de la tension de seuil pendant l’application d’une tension de grille, supérieure de 40V à la tension de seuil
initiale. Leur rapport presque constant (b) confirme cette symétrie. En régime linéaire, ce rapport est donné par l’équation suivante (4)
cte DS ins GS DS µ C V L W V I (4)
Le rapport constant indique une mobilité constante durant le stress électrique. L’absence de dégradation de la mobilité témoigne de l’absence de changement apparent de la structure de la
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couche active au moins durant l’application d’une tension de grille élevée. Dans ces conditions la couche IF(CN2)2 méta semble stable.
En conclusion de cette étude sur les paramètres électriques des transistors à base de IF(CN2)2 méta et leur stabilité, ces transistors présentent une mobilité 10 fois supérieure à celle trouvée pour les transistors à base de LPP(CN2)2. Le mécanisme de conduction des électrons a été démontré principalement régi par le « Variable Range Hoping » dans une densité d’états exponentielle.
Stockés pendant 9 mois sous azote, la caractéristique de transfert des transistors se décale de 5V, le traitement thermique à 110°C pendant 90min sous azote restore la caractéristique initiale.
Soumis à une tension de grille supérieure à la tension de seuil, la caractéristique de transfert se décale vers les tensions positives. A faible tension de stress, ce déplacement n’a pu être interprété par l’un ou l’autre des modèles de nouvel équilibre structurale de la couche active ou de piégeage des porteurs dans l’isolant. Les 2 modèles lissent les courbes expérimentales avec de bons facteurs de corrélation. A forte tension de grille, le piégeage est avantagé et le déplacement de la tension de seuil n’a pu être lissé que par l’équation logarithmique.