FR2980041A1 - Transistor a effet de champ comprenant un limiteur de courant de fuite - Google Patents

Transistor a effet de champ comprenant un limiteur de courant de fuite Download PDF

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Abstract

Ce transistor à effet de champ (1) comprend au moins un substrat inférieur (2) sur lequel sont déposées deux électrodes (3, 4), respectivement une électrode de source (3) et une électrode de drain (4), une couche diélectrique (6) réalisée en un matériau diélectrique et une électrode de grille (7) déposée sur la couche diélectrique (6). Il comporte en outre une couche intermédiaire (10) réalisée en un matériau comprenant des molécules présentant un moment dipolaire, déposée entre l'électrode de grille (7) et la couche diélectrique (6), ladite couche intermédiaire (10) s'étendant au moins sous toute la surface occupée par l'électrode de grille (7).

Description

- 1 - TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP COMPRENANT UN LIMITEUR DE COURANT DE FUITE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention à trait au domaine des transistors organiques, comme par exemple les transistors à film mince, plus communément connu sous l'expression anglo-saxonne « Organic Thin Film Transistor » (OTFT). Elle concerne plus particulièrement un transistor organique comprenant des moyens permettant de limiter les courants de fuite apparaissant entre la grille et le semi-conducteur dudit transistor. ART ANTERIEUR On a représenté en relation avec la figure 1, un transistor organique à film mince de l'art antérieur présentant une structure dite à « grille haute » et « contacts bas ». En l'espèce, ledit transistor 1 comporte : - un substrat inférieur 2, sur la face supérieure duquel sont formés deux électrodes 3, 4, une première électrode de source 3 et une seconde électrode de drain 4, - une couche semi-conductrice 5 obtenue dans un matériau semi-conducteur et déposée sur le substrat inférieur 2, l'électrode de source 3 et l'électrode de drain 4, - et une couche diélectrique 6 obtenue dans un matériau diélectrique et déposée sur la couche semi-conductrice 5, et sur laquelle est formée une électrode de grille 7. L'effet transistor est obtenu, de manière connue, en appliquant une tension entre la grille 7 et le substrat inférieur 2, de manière à créer, dans la couche semi-conductrice 5 un canal de conduction 8 entre l'électrode de source 3 et l'électrode de drain 4. Toutefois, les transistors à effet de champ intégrant une couche semi-conductrice réalisée en un matériau organique comportent une couche diélectrique dont les propriétés isolantes ne sont pas parfaites de sorte qu'un courant de fuite 9, schématiquement représenté sur la figure 1, apparaît entre l'électrode de grille 7 et les électrodes 3 et 4, altérant le fonctionnement dudit transistor. - 2 - En effet, le courant de fuite 9, qui est un courant qui passe à travers la couche diélectrique 6 depuis l'électrode de grille 7 vers l'électrode de source 3, dégrade fortement le courant Ioff du transistor à effet de champ.
Lorsque le courant de fuite est trop grand, on observe le claquage du transistor et on ne mesure plus le courant Ion et Ioff mais uniquement le courant de fuite, l'effet de champ du transistor ayant alors disparu. Une telle dégradation du courant Ioff du transistor à effet de champ, en raison du courant de fuite apparaissant entre l'électrode de grille et l'électrode de source dans la couche diélectrique, ne permet pas d'utiliser ce type de transistor organique à effet de champ pour la réalisation de circuits électriques. Afin de diminuer ce courant de fuite, il peut être envisagé de modifier les propriétés intrinsèques de la couche diélectrique 6 et/ou d'augmenter l'épaisseur de ladite couche diélectrique 6. On entend par « propriétés intrinsèques de la couche diélectrique 6 », les propriétés isolantes de ladite couche diélectrique et/ou la qualité de la couche diélectrique déposée.
Néanmoins, en modifiant les propriétés intrinsèques de la couche diélectrique 6 ou en augmentant son épaisseur, on surenchérit les coûts de fabrication de ces transistors et on modifie également les autres caractéristiques du transistor telles que, notamment, la capacité de la couche diélectrique, qui est alors susceptible de générer des capacités parasites altérant également le bon fonctionnement du transistor.
EXPOSE DE L'INVENTION L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un transistor à effet de champ de conception simple et peu onéreuse et procurant une limitation du courant de fuite entre l'électrode de grille et l'électrode de source ou de drain sans modifier les caractéristiques intrinsèques de la couche diélectrique. - 3 - A cet effet, et conformément à l'invention, il est proposé un transistor à effet de champ comprenant au moins un substrat inférieur sur lequel sont déposées deux électrodes, une électrode de source et une électrode de drain, une couche dite diélectrique réalisée en un matériau diélectrique, et une électrode de grille déposée sur la couche diélectrique. Selon l'invention, ce transistor comporte en outre une couche intermédiaire dite couche de blocage, réalisée en un matériau comprenant des molécules présentant un moment dipolaire, déposée entre l'électrode de grille et la couche diélectrique, ladite couche intermédiaire s'étendant au moins sous toute la surface occupée par l'électrode de grille.
Cette couche intermédiaire créée une barrière énergétique sous l'électrode de grille qui limite le passage des charges Ainsi, et par exemple, la charge négative en surface des molécules de la couche intermédiaire de blocage repousse les électrons qui veulent passer de l'électrode de grille vers la couche diélectrique quand le transistor est de type N..
Le matériau constitutif de la couche intermédiaire mis en oeuvre consiste dans au moins un composé organique comprenant au moins une fonction d'accroche sur l'électrode de grille. Avantageusement, il comporte un espaceur R, constitué d'une chaîne carbonée linéaire, branchée ou cyclique et pouvant également comprendre au moins un hétéro atome.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'électrode de grille est métallique et ledit matériau constitutif de la couche intermédiaire est constitué d'un composé organosoufré, les composés organosoufrés procurant une accroche avec les molécules d'or, constituant le plus généralement les électrodes de source et de drain.
Par ailleurs, au moins une partie des molécules du matériau constitutif de la couche intermédiaire présente un moment dipolaire dirigé vers l'électrode de grille lorsque le transistor est de type N. De telles molécules permettent de bloquer les électrons présents sur l'électrode de grille.30 - 4 - Selon une variante de l'invention, au moins une partie des molécules du matériau constitutif de la couche intermédiaire présente un moment dipolaire dirigé vers la couche diélectrique lorsque le transistor est de type P, ce qui permet de bloquer les trous, limitant ainsi leur passage de l'électrode de grille vers la couche diélectrique.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ comprenant au moins une étape du dépôt de deux électrodes sur un substrat, une électrode de source et une électrode de drain, une étape de dépôt d'une couche diélectrique, et une étape de dépôt d'une électrode de grille sur ladite couche diélectrique.
Ce procédé consiste, préalablement au dépôt de l'électrode de grille, à déposer sur la couche diélectrique une couche intermédiaire réalisée en un matériau comprenant des molécules présentant un moment dipolaire, l'électrode de grille étant déposée sur ladite couche intermédiaire.
De préférence, la couche intermédiaire est déposée sur la couche diélectrique par jet d'encre. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui suit, de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un transistor à effet de champ dit à « grille haute » et à « contact bas » de l'art antérieur, - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un transistor à effet de champ de type à « grille haute » et à « contact bas » comportant des moyens de limitation du courant de fuite conformément à l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe schématique de l'interface entre l'électrode de grille et la couche diélectrique du transistor à effet de champ conforme à l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe schématique de l'interface entre l'électrode de grille et la couche diélectrique d'une variante d'exécution du transistor à effet de champ de l'invention, - 5 - - la figure 5 est une vue en coupe schématique de l'électrode de grille et d'une couche obtenue dans un matériau comprenant des molécules à moment dipolaire du transistor à effet de champ selon l'invention, - la figure 6 est une représentation graphique schématique des différentes molécules du matériau dans lequel est obtenue la couche intermédiaire du transistor à effet de champ selon l'invention, - la figure 7 est une vue en coupe schématique d'une variante d'exécution du transistor à effet de champ de type à « grille basse » suivant l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Par souci de clarté, dans la suite de l'invention, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. De plus, les diverses vues en coupe ne sont pas nécessairement tracées à l'échelle.
En référence à la figure 2, le transistor à effet de champ 1 selon l'invention présente une structure de type à « grille haute » et à « contacts bas ». Il comprend un substrat inférieur 2 sur lequel sont déposées deux électrodes 3, 4, une électrode de source 3 et une électrode de drain 4. Il comprend en outre une couche semi-conductrice 5 réalisée en un matériau semi-conducteur, et déposée sur le substrat inférieur 2, l'électrode de source 3 et l'électrode de drain 4. Il comprend ensuite une couche diélectrique 6 réalisée en un matériau diélectrique et déposée sur la couche semi-conductrice 5. Enfin, une électrode de grille 7 est formée sur la couche diélectrique 6.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le transistor 1 comporte également une couche intermédiaire 10 dite aussi de blocage, réalisée en un matériau comportant des molécules présentant un moment dipolaire, et déposée entre l'électrode de grille 7 et la couche diélectrique 6, ladite couche intermédiaire 10 s'étendant sous toute la surface de l'électrode de grille 7.
Il est bien évident que la couche intermédiaire 10 peut s'étendre sur toute la surface de la couche diélectrique 6 sans pour autant sortir du cadre de l'invention. - 6 - Le substrat inférieur 2 est réalisé en un matériau choisi dans le groupe comprenant : le verre, le silicium dopé ou non, les polymères tels que le polyéthylène téréphtalate (PET), le polyéthylène naphtalate (PEN), le polyimide (PI), le polycarbonate, le polystyrène, les acrylates, etc...
Le substrat inférieur 2 peut cependant être réalisé en tout autre matériau bien connu de l'homme du métier. La couche semi-conductrice 5 est réalisée en un matériau organique semi-conducteur choisi dans le groupe comprenant : les molécules organiques semi-conductrices telles que tetracène, pentancène, phtalocyanine, les polymères semi-conducteurs tels que polytiophène, polyfluorène, polyphenylene vinylene ou leurs dérivés tels que poly (3- octyl), thiophene, poly [2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-], phenylene, vynilene ou oligomère tel que a-sexithiophènes.
Bien que l'invention soit particulièrement adaptée aux transistors organiques, c'est-à-dire aux transistors dans lesquels la couche semi-conductrice 5 est réalisée en un matériau organique, l'invention peut également s'appliquer aux transistors dits inorganiques Ainsi, la couche semi-conductrice 5 peut également être obtenue dans un matériau inorganique semi-conducteur bien connu de l'homme du métier tel que le silicium ou l'arséniure de gallium (GaAs) par exemple. Par ailleurs, la couche diélectrique 6 est réalisée en un matériau choisi dans le groupe comprenant : le dioxyde de silicium, le nitrate de silicium, le dioxyde de titane, les oxydes d'aluminium, le dioxyde d'hafnium, les polyimides, polyvinyle, pyrrolidone, polyméthylméthacrylate, polyamide, parylène, le polystyrène, le polyvinylphénol, un fluoropolymère, ou dans tout autre matériau diélectrique bien connus de l'homme du métier De plus, les électrodes de source 3, de drain 4 et de grille 7 sont avantageusement réalisées en métal, tel que l'aluminium, le titane, le nickel, l'or, le chrome, etc.... Elles peuvent également être réalisées à base de particules métalliques, d'oxydes métalliques tels que l'oxyde d'indium-étain, l'oxyde d'indium-zinc, etc..., les polymères conducteurs - 7 - tels que 3, 4 - polyéthylène dioxythiophène-polystirène, sulfonate (PEDOT : PSS) ou polyaniline, etc..., ou les matériaux en silicium dopé. La couche intermédiaire caractéristique de l'invention est avantageusement réalisée en un matériau composé de molécules présentant un moment dipolaire, c'est-à-dire dont les charges négatives et positives sont concentrées les unes à l'opposé des autres, définissant un moment dipolaire Ainsi, une molécule est polaire si elle contient au moins une liaison covalente polarisée et si le barycentre des charges partielles positives ne coïncide pas avec le barycentre des charges partielles négatives.
En référence aux figures 3 et 4, et en l'espèce s'agissant d'un transistor de type N, la couche intermédiaire 10 située sous l'électrode de grille 7 est réalisée en un matériau constitué de molécules dont le moment dipolaire est dirigé vers la grille. De cette manière, la couche intermédiaire 10 créée une barrière énergétique sous l'électrode de grille 7 qui bloque le passage des électrons. La charge négative en surface des molécules de la couche intermédiaire 10 repousse les électrons qui veulent passer de l'électrode de grille 7 en direction de la couche diélectrique 6. Dans cet exemple de réalisation, le barycentre N du matériau constitutif de la couche intermédiaire 10 est positionné au droit de la surface inférieure de l'électrode de gille 7 bloquant ainsi les électrons au niveau de ladite électrode de grille. Selon une variante d'exécution, non représentée sur les figures, le barycentre P du matériau constitutif de la couche intermédiaire 10 peut être positionné au droit de la surface inférieure de l'électrode de grille 7. De cette manière, ledit matériau bloque les trous de la couche diélectrique 6 empêchant le passage des électrons issus de l'électrode de grille 7 dans la couche diélectrique 6, et donc l'apparition d'un courant de fuite dans ladite couche diélectrique 6, même si les électrons passent dans la couche intermédiaire 10.
Alternativement, en référence à la figure 4, la couche intermédiaire 10 située sous l'électrode de grille 7 est constituée d'une monocouche auto-assemblée dite SAM selon l'acronyme anglo-saxon « Self Assembled Monolayer » comportant un déséquilibre électrique au sein des molécules constituant ladite monocouche. Ce déséquilibre - 8 - électrique des molécules de la couche auto-assemblée permet ainsi de bloquer une partie des électrons au niveau de l'électrode de grille 7 et de bloquer les trous de la couche diélectrique 6, évitant toute apparition d'un courant de fuite dans la couche diélectrique même si une partie des électrons passe dans la couche intermédiaire 10.
De préférence, en référence à la figure 5, le matériau constitutif de la couche intermédiaire consiste dans au moins un composé organique comprenant au moins une fonction d'accroche 11 sur l'électrode de grille 7 et un espaceur R. Ledit espaceur R peut consister dans une chaîne carbonée linéaire, branchée ou cyclique et peut également comprendre au moins un hétéroatome. On observera que la fonction d'accroche 11 n'est pas nécessairement une molécule générant une liaison chimique avec les molécules de l'électrode de grille 7. En effet, la fonction d'accroche avec l'électrode de grille 7 peut être assurée par des forces de Van der Waals par exemple. En référence à la figure 6, le matériau constitutif de la couche intermédiaire peut par exemple consister dans un composé organosoufré, c'est-à-dire une molécule organique comportant un groupement thiol (SH). Les composés organosoufrés procurent une accroche sous la forme d'une liaison chimique avec les molécules d'or, lorsque les électrodes de source et de drain sont réalisées en ce métal. Le composé organosoufré peut par exemple est constitué d'alcanathiol, de triophénol, de mercaptopyridine, de mercaptoaniline, de mercaptoimidazole, de cystéine ou de Tripode-Thiol.
Néanmoins, ledit matériau peut être constitué d'autres composés organosoufrés, tels que par exemple, des composés comportant un groupement dialkylsulfure, diakyldisulfure, alkylxanthate, dialkylthiocarbonate, thiophène, thiourée, acide thioctique, thiocyanate, pyridine-éthyle, nitrile ethylique (CNE), Triméthyle-silice, éthyle (TMSE), Acétyl ou TertioButylOcarbonyle.30 - 9 - On notera que les composés organosoufrés comportant un groupement Acétyl (Ac), TertioButylOcarbonyle (Boc), Triméthyle-silice- éthyle (TMSE), pyridine-éthyle, nitrile ethylique (CNE), thiocyanate, acide thioctique et Tripode-Thiol sont particulièrement adaptés pour l'élaboration d'une monocouche auto-assemblée (SAM) sur or.
EXEMPLE DE REALISATION : En référence à la figure 7, le transistor à effet de champ 1 est obtenu par dépôt sur un substrat de polyéthylène naphthalate (PEN) d'une épaisseur d'environ 125 micromètres, formant le substrat inférieur 2 du transistor, et de 3 nanomètres d'or (Au). La couche d'or (Au) est alors gravée pour obtenir une électrode de source 3 et une électrode de drain 4.
On dépose alors par héliogravure une couche semi-conductrice 5 en triisopropylsilyl (TIPS) pentacène d'environ 90 nanomètres d'épaisseur, qui est ensuite recouverte d'une couche diélectrique 6 de fluoropolymère, commercialisé sous la marque CYTOP® par exemple, sur une épaisseur d'environ 800 nanomètres.
Ensuite, on dépose par jet d'encre des molécules de cystéine de formule générale HSNH2COOH sur une partie de la surface supérieure de la couche diélectrique 6 au droit de la zone de l'électrode de grille 7 pour former une couche intermédiaire 10. Finalement on dépose 50 nanomètres d'or sur ladite couche intermédiaire 10 pour former l'électrode de grille 7. La couche intermédiaire 10 peut être déposée par tout autre procédé de dépôt bien connu de l'homme du métier tel que par évaporation thermique ou par un procédé photolithographique par exemple, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.30

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS1. Transistor à effet de champ (1) comprenant au moins un substrat inférieur (2) sur lequel sont déposées deux électrodes (3, 4), respectivement une électrode de source (3) et une électrode de drain (4), une couche diélectrique (6) réalisée en un matériau diélectrique et une électrode de grille (7) déposée sur la couche diélectrique (6), caractérisé en ce qu'il comporte une couche intermédiaire (10) réalisée en un matériau comprenant des molécules présentant un moment dipolaire, déposée entre l'électrode de grille (7) et la couche diélectrique (6), ladite couche intermédiaire (10) s'étendant au moins sous toute la surface occupée par l'électrode de grille (7). Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (10) est réalisée en un composé organique comprenant au moins une fonction d'accroche (11) sur l'électrode de grille (7). Transistor à effet de champ selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composé organique constitutif de la couche intermédiaire (10) comporte en outre un espaceur R constitué d'une chaîne carbonée linéaire, branchée ou cyclique et pouvant également comprendre au moins un hétéroatome. Transistor à effet de champ selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'électrode de grille est métallique et en ce que le composé organique comprend au moins un composé organosoufré. Transistor à effet de champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une partie des molécules constitutives de la couche intermédiaire (10) présente un moment dipolaire dirigé vers l'électrode de grille lorsque le transistor est de type N. Transistor à effet de champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une partie des molécules constitutives de la couche intermédiaire (10) présente un moment dipolaire dirigé vers la couche diélectrique lorsque le transistor est de type P. 10
  2. 2. 15
  3. 3. 20
  4. 4. 25
  5. 5. 306.. Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) comprenant : - au moins le dépôt de deux électrodes (3, 4), respectivement une électrode de source (3) et une électrode de drain (4) sur un substrat (2), - le dépôt d'une couche diélectrique (6), et - le dépôt d'une électrode de grille (7) sur la couche diélectrique (6), caractérisé en ce que, préalablement au dépôt de l'électrode de grille (7), il consiste à déposer sur la couche diélectrique (6) une couche intermédiaire (10) réalisée en un matériau comprenant des molécules présentant un moment dipolaire, l'électrode de grille (7) étant déposée sur ladite couche intermédiaire (10) de telle manière que toute la surface inférieure de l'électrode de grille (7) soit en contact avec la couche intermédiaire (10). 8. Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (10) est déposée sur la couche diélectrique (6) par jet d'encre. 9. Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le matériau constitutif de la couche intermédiaire (10) est constitué d'un composé organique comprenant au moins une fonction d'accroche (11) sur l'électrode de grille (7) et un espaceur R consistant dans une chaîne carbonée linéaire, branchée ou cyclique et pouvant également comprendre un hétéroatome. 10. Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le matériau constitutif de la couche intermédiaire (10) est constitué au moins d'un composé organosoufré et en ce que l'électrode de grille est métallique. 11. Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'une partie des molécules du matériau constitutif de la couche intermédiaire présente un moment dipolaire dirigé vers la grille lorsque le transistor est de type N.- 12 - 12. Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'une partie des molécules du matériau constitutif de la couche intermédiaire présente un moment dipolaire dirigé vers la couche diélectrique lorsque le transistor est de type P.5
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