Structure et choix des matériaux

La première étape pour réaliser des transistors ambipolaires est la sélection de la structure et des différents matériaux. La compatibilité des structures avec les méthodes de fabrication utilisées et la qualité des interfaces entre ces matériaux doivent ensuite être vérifiées. La réalisation de transistors organiques unipolaires de type-n et de type-p a dans ce but était faite. La qualité du diélectrique de grille et l’injection de charge des électrodes vers le semi-conducteur ont ainsi pu être évalués. Le transistor de type-n réalisé est de type

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gate/top-contact et est composé d’ITO, de PMMA, de PTCDI-C13 et de calcium qui jouent

respectivement le rôle de grille, diélectrique, semi-conducteur et électrode source-drain. Le transistor de type-p est lui de type bottom-gate/bottom-contact et est composé des mêmes grille et diélectrique, de pentacène en tant que semi-conducteur et d’or en tant qu’électrode source-drain.

La structure du transistor de type-n ainsi que les épaisseurs sont représentées sur la Figure 3.1a. Cette structure est possible car le calcium est déposé sur le semi-conducteur par évaporation thermique dans la boîte à gants. Toutes les étapes se font donc sous azote sans risque de détériorer le semi-conducteur. La Figure 3.1b montre le travail de sortie des électrodes source-drain en calcium et les niveaux HOMO et LUMO du PTCDI-C13. Le travail de sortie du calcium, -2,9 eV, est ici bien adapté au niveau LUMO du PTCDI-C13, -3,4 eV, ce qui permet une bonne injection des électrons. Les résultats obtenus, présentés sur la Figure 3.1c et d, montrent des caractéristiques de sortie classiques pour un transistor de type-n. Le régime linéaire et le régime de saturation sont bien visibles. La caractéristique de transfert le confirme. On observe bien un courant nul IOFF pour les valeurs de tension négatives et un courant ION pour les valeurs de tension positives. Le ratio ION/IOFF est proche de 10⁶ ce qui indique de bonnes performances pour un transistor organique. On peut noter que la caractéristique de transfert présente néanmoins une légère hystérésis dynamique. Cela indique un léger effet de piégeage et de dépiégeage pour une vitesse de mesure de 1 V/s à l’interface entre le semi-conducteur et le diélectrique et implique un léger décalage de la tension de seuil, ici de 5 V, vers les valeurs négatives. La mobilité en régime de saturation calculée à partir de ces courbes est de 0,29 cm².V^-1.s^-1.

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Figure 3.1 : (a) Structure du transistor de type-n réalisé, (b) diagramme d’énergie des couches de calcium et de PTCDI-C13, (c) caractéristiques de sortie du transistor et (d) caractéristique de transfert pour une tension de drain de 70 V.

La structure du transistor de type-p est représentée sur la Figure 3.2a. La structure réalisée n’est ici plus bottom-gate/top-contact mais bottom-gate/bottom-contact. La raison est que le dépôt d’or se fait, dans notre cas, par évaporation thermique hors boîte à gants. Les contacts doivent donc être faits avant le dépôt du pentacène pour ne pas l’exposer à l’air et le détériorer. Il est important dans ce type de structure de ne pas avoir une épaisseur de contact source-drain trop importante afin de ne pas créer d’effet d’ombre lors du dépôt de semi-conducteur et être sûr de former un canal de conduction homogène. C’est pourquoi l’épaisseur d’or choisie est ici de 35 nm. Pour cette même raison, l’épaisseur de pentacène est choisie pour être supérieure à celle des électrodes en or. Comme le montre la Figure 3.2b, les matériaux ont été choisis de façon à ce que le travail de sortie de l’or, -5,2 eV, soit adapté au niveau HOMO du pentacène, -4,9 eV. L’injection des trous peut ainsi se faire correctement. La Figure 3.2c présente les caractéristiques de sortie du transistor. La modulation du courant de drain est bien visible, le régime linéaire peut également est observé mais pas le plateau caractéristique du régime de saturation. De plus, pour une tension de grille nulle, il y a passage du courant entre le drain et la source. Cet effet est encore plus visible sur la courbe de transfert à VD = -70 V représentée sur la Figure 3.2d. Ni le courant de drain en régime de saturation ION, ni le courant à l’état bloquant IOFF ne sont visibles. Ceci peut être dû aux pièges

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présents dans la couche conductrice ou à des impuretés à l’interface semi-conducteur/diélectrique qui rendent le canal conducteur même pour des valeurs de tension de grille positives [101]. La tension de seuil est d’ailleurs fortement décalée vers les tensions de grille positive puisqu’elle est de 25 V. Cela explique que le régime à l’état bloquant ne soit pas observé. Une piste pour optimiser ce transistor est donc de travailler sur l’interface PMMA/pentacène. En dehors de l’optimisation de l’interface PMMA/pentacène, le transistor de type-n paraît bien plus performant que le transistor de type-p. Un courant de 2,5.10^-5 A est obtenu pour VDS = 70 V et VGS = 60 V pour le transistor de type-n alors que seul un courant de 3.10^-6 A est obtenu pour les mêmes valeurs de tensions de grille et de drain pour le transistor de type-p. Les mauvaises performances du transistor de type-p se retrouvent dans les valeurs de mobilité en régime de saturation : elle est de de 0,011 cm2.V-1.s-1 pour le pentacène contre de 0,29 cm².V^-1.s^-1 pour le PTCDI-C13. Cette différence de mobilité peut être attribuée à la différence de structure des deux transistors. La structure top-contact est en effet bien plus adaptée pour obtenir une bonne injection et des transistors organiques performants [53], [54].

Figure 3.2 : (a) Structure du transistor de type-p réalisé, (b) diagramme d’énergie des couches d’or et de pentacène, (c) caractéristiques de sortie du transistor et (d) caractéristique de transfert pour une tension de drain de -70 V.

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Il existe deux façons de réaliser des transistors organiques ambipolaires à partir de deux semi-conducteurs. La première consiste à superposer les deux couches l’une au-dessus l’autre afin de former une structure bicouche. La deuxième consiste à co-évaporer les deux matériaux afin de les combiner. Ces deux structures sont représentées sur la Figure 3.3. L’utilisation de co-évaporation est souvent moins efficace. Les transistors à base de matériaux co-évaporés présentent généralement des mobilités d’électrons et de trous plus faibles que celles de chaque transistor unipolaire pris séparément [102]. Cela est dû à une accumulation de charges aux interfaces entre les deux matériaux et à un transport de charges inefficace. Les structures bicouches s’en sortent en général bien mieux et démontrent un transport ambipolaire équilibré et des mobilités élevées [103]. Quand bien même les charges ont également une interface à traverser, le nombre d’interface est bien moins important que pour une structure co-évaporé et ne limite pas le transport de charges.

Figure 3.3 : (a) Structure de transistor organique ambipolaire bicouche et (b) structure de transistor organique ambipolaire réalisé par co-évaporation.

Pour fabriquer des transistors ambipolaires à partir des deux transistors unipolaires décrits précédemment, il existe deux possibilités. La première est de partir de la structure de type-n et d’intercaler du pentacène entre le diélectrique et le PTCDI-C13 afin de garder un travail de sortie des électrodes source-drain adapté à la LUMO du PTCDI-C13. Et la deuxième est d’ajouter du PTCDI-C13 au-dessus du pentacène, toujours pour garder des niveaux d’énergie adapté entre les électrodes et le semi-conducteur. Etant donné les résultats obtenus, le choix de partir sur la première solution apparaît comme bien plus évident.