Modélisation des phénomènes de piégeage/dépiégeage dans les semi-conducteurs organiques et développement d'un dispositif de caractérisation de pièges dans les transistors organiques.

par Ndèye saly Ndiaye

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Louis Giraudet et de Olivier Simonetti.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de Sciences Fondamentales - Santé , en partenariat avec LRN - Laboratoire de Recherche en Nanosciences (laboratoire) depuis le 12-09-2016 .


  • Résumé

    Nos travaux précédant nous ont permis de nous spécialiser dans le domaine des transistors organiques OTFT (Organic Thin Film Transistor). Les applications visées utilisant des OTFTs sont, entre autres, le contrôle des pixels dans les écrans plats OLED, l'électronique souple, les capteurs… L'intérêt économique est donc très important. Nos compétences se situent en particulier en modélisation et en caractérisation des OTFTs. Un modèle I(V) de transistor organique prenant en compte les mécanismes physiques de transport et d'injection de charge dans les semi-conducteurs organiques a été développé (le modèle est accessible pour la communauté en ligne). Les modèles implémentés sont les plus avancés publiés à l'heure actuelle dans le domaine des composants organiques, en particulier pour décrire l'injection des charges au contact et les propriétés de transport spécifiques de ces matériaux. Nous disposons de l'ensemble des moyens permettant la mesure des performances des OTFT : mesures I(V) et extraction des paramètres principaux des OTFTs (mobilité, tension de seuil, résistance de contact…). Nous possédons également les moyens de réalisation de transistors tests à base de semi-conducteur organique par voix soluble. Notre savoir-faire en modélisation et caractérisation I(V), en température notamment, nous assure des collaborations avec des laboratoires comme ICUBE de Strasbourg ou l'IMS de Bordeaux. Nous avons plus récemment développé (et breveté) une technique de caractérisation en champ proche basé sur le KPFM (Kelvin Probe Force Microscopy). La technique KPFM est appliquée pour mesurer les profils de potentiel le long du canal du transistor et en particulier pour caractériser l'injection des charges à l'interface électrode / semi-conducteur. Les résultats obtenus sur différentes technologies d'OTFT ont permis d'accéder de manière quantitative aux caractéristiques I(V) intrinsèques (et locale) des contacts, et de la mobilité intrinsèque du canal. Cette technique, complémentaire des techniques conventionnelles de type I(V), est à l'état de l'art et nous permet de travailler sur les transistors les plus performants à l'heure actuelle, fournis par de grands laboratoires leaders dans le domaine comme le Max Plank Institut ou l'IMEC. Le sujet de thèse se propose de poursuivre nos études sur le comportement électrique des OTFTs. En particulier, on se propose d'approfondir la méthode KPFM et l'étude des phénomènes d'injection de charge dans les OTFTs en introduisant des techniques de caractérisation optique. Eclairer le canal d'un OTFT en fonctionnement permet de modifier les densités de charges, notamment piégées, et induisent des modifications de courant mesurables. Ces études pourront être menées en température, et de manière statique ou transitoire. Nous attendons de l'étude de la photo-réponse des OTFTs en fonctionnement une meilleure connaissance du transport et de l'injection des charges, des états d'énergies accessibles ou piégeants, notamment concernant les porteurs minoritaires. Ce sujet nous ouvre également la voix au domaine des photo-transistors et de leur utilisation en capteur optique. La maîtrise de cette technique nous permettra de renforcer nos liens avec le LNIO de l'UTT avec lequel nous collaborons déjà sur le développement de photocapteurs à base de nanofils (projet ‘Nanogain').

  • Titre traduit

    Modelling of trapping/detrapping processes in organic semiconductors and implementation of a trap characterization experiment on organic transistors.


  • Résumé

    The present PhD proposal deals with advanced characterization technics of Organic Thin Film Transistors (OTFTs). Potential applications of OTFTs are numerous: flexible electronics, electronic back-planes of OLED displays, sensors... The economic potential is huge and justifies a worldwide interest. Our group is interested in semiconductor device physics, and in particular in the development of advanced OTFT models , supported by state of the art characterization tools. Lab facilities include variable temperature electrical characterization tools to evaluate OTFT performances and parameters (mobility, threshold voltage, contact resistances...) in a wide temperature range, mandatory to validate injection and transport models in organic TFTs. Wet process TFTs are fabricated in the lab in gloves-box, but devices are also originating from various collaborations allowing material and process comparison. During a previous PhD thesis, a nanoscale electrical characterization tool has been developed based on Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). The setup has been developed to allow measurements of the potential profile along the channel of operating TFTs. This state of the art tool is very helpful to study charge injection at the TFT source contact, or intrinsic transport properties in the transistor semiconductor channel. Contact detrimental effects are evidenced and their intrinsic I(V) characteristics can be measured. Measurements can be achieved in all transistor operating regimes, a unique feature offered by this technique. The present set-up is at the state-of-the-art and supports collaborations with leading European laboratories such as the Max Plank Institute in Stuttgart, or IMEC in Louvain, providing state of the art material and devices. The proposed PhD project will push further our studies of the physics of OTFTs by developing new characterization technics. A variable wavelength monochromatic illumination will be added to our present characterization tools, impacting both injection and transport mechanisms in the transistor. New insights in the device physics are expected such as: charge trapping / detrapping mechanisms, density of states, injection and collection processes, minority carrier behavior, stability, etc. Optical illumination combined to I(V) and KPFM characterization tools will lead to improve our understanding of organic semiconductors and OTFTs, driving improvements of their performances.