Transistor en couches minces avec canal en oxyde d’indium de gallium et de zinc : matériaux, procédés, dispositifs

Indium gallium zinc oxide based thin film transistor : Materials, processes, devices

• Auteur / Autrice : Clément Talagrand
• Direction : Philippe Collot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 23/10/2015
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Packaging et Supports Souples
• Jury : Président / Présidente : Dominique Vuillaume
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Collot, Dominique Vuillaume, Jean-Pierre Landesman, Jean-Luc Autran, Romain Coppard, Xavier Boddaert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Vuillaume, Jean-Pierre Landesman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imprimantes à jet d'encre

Zinc

Gallium

Indium

Transistors en couches minces

Mots clés libres

Oxyde d’Indium Gallium Zinc

Transitor en couches minces

Ellipsométrie spectroscopique

Impression jet d’encre

Indium gallium zinc oxide

Thin-film transistor

Spectroscopic ellipsometry

Inkjet printing

Résumé

Pour réaliser des fonctions électroniques sur support souple, le transistor en couches minces (TFT) est indispensable. Cette thèse a pour objectif d’approfondir les connaissances sur ces dispositifs.L’état de l’art est synthétisé dans le chapitre 1. Cette partie présente tout d’abord les TFT et justifie l’utilisation de l’oxyde d’indium gallium zinc (IGZO). Ensuite les propriétés de cet oxyde semi-conducteur amorphe sont traitées ; et enfin le chapitre fait état des résultats obtenus avec des TFT en IGZO.Le chapitre 2 établie un lien entre les propriétés de l’IGZO et le dépôt par pulvérisation cathodique. L’étude des films a été réalisée par ellipsométrie spectroscopique. Celle-ci a mis en évidence des variations dans les propriétés optiques dues au temps de dépôt, à la concentration en oxygène et à la position sur le substrat. Ces résultats ont été comparés à des mesures de résistivité, pour comprendre plus précisément la cause de ces variations.Le chapitre 3 élabore un procédé complet permettant de réaliser des TFT sur support souple. Le choix des différents matériaux est discuté, et les différents outils de procédés sont adaptés afin de réaliser ces dispositifs. Les TFT obtenus sont caractérisés en fonction du temps de recuit et sous flexion. Ils ont atteint des mobilités 10 cm².V-1.s-1.Le chapitre 4 étudie le dépôt d’IGZO par impression jet d’encre. Une encre a été formulée et les différents paramètres d’impression ajustés. Afin de comparer les différentes techniques de dépôt, des TFT avec canal en IGZO imprimé ont été réalisé et les films imprimés ont été caractérisé par ellipsométrie spectroscopique. Ces dispositifs ont atteint des mobilités de 0,4 cm2.V-1.s-1.

In order to carry out electronics functions on flexible substrate, thin film transistor is essential. The aim of this thesis is to increase knowledge on this device.State of art of IGZO TFT is summarized in chapter 1. This part presents thin film transistor and justify the choice of IGZO as the semiconductor material. Then, properties of this amorphous oxide semiconductor are discussed. Finally, this chapter presents the results obtained in the literature for IGZO based thin film transistor.Chapter 2 establishes a link between IGZO properties and sputtering deposition. Films are studied by spectroscopic ellipsometry. Experiments show variations in optical properties due to deposition time, oxygen content and position on the wafer. Resistivity measurements are carried out to understand more deeply the causes of these variations.Chapter 3 develops a complete process to achieve TFT on flexible substrate. The choice of different materials and processes is discussed. The performances of the TFT are investigated versus the annealing time and characterized under mechanical stress. Mobility up to 10 cm2.V-1.s-1 can be achieved after an annealing at 300°C during 1h30. Mechanical stresses show a degradation of the transistor induced by cracks in the oxide layer.Chapter 4 focuses on IGZO's deposition by inkjet printing. An ink is formulated using metallic salts and a solvents mixture. The parameters of the printing system are also optimized. To compare the different techniques of deposition, printed IGZO TFTs are characterized and compared with the one fabricated with the standard PVD deposition technique. Mobility is relatively lower and equals 0.4 cm2.V-1.s-1.