Proprietes et stabilite de l’interface isolant-pentacene dans les transistors organiques a effet de champ

Properties and stability of insulator-pentacene interface in organic field-effect transistors

• Auteur / Autrice : Romain Macabies
• Direction : Philippe Collot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 24/10/2011
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Jury : Président / Présidente : Khalifa Aguir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Collot, Khalifa Aguir, Christine Videlot-Ackermann, Sébastien Sanaur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Videlot-Ackermann, Khalifa Aguir

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stabilité

Fluorure de calcium

Couches diélectriques

Semiconducteurs organiques

Transistors

Mots clés libres

Transistor organique

Pentacène

Interface isolant-semi-conducteur

Stabilité

Organic field-effect transistor

Pentacene

Insulator-organic semiconductor interface

Stability

Résumé

Le développement des transistors organiques, ces dernières années, a permis une nette amélioration de leurs performances et de leur stabilité. Ceci a été possible, notamment, grâce à une meilleure compréhension des mécanismes régissant le transport de charges dans ces dispositifs. Cependant, certains phénomènes restent encore à éclaircir, en particulier au niveau de l’interface entre le semi-conducteur et le diélectrique. Le piégeage des porteurs de charges qui est une des principales causes de perturbations du transport de charges dans les transistors organiques, en est un. Cette thèse se propose donc, d’étudier ce phénomène dans des transistors à base de pentacène.Les groupements polaires, et plus particulièrement les groupements hydroxyles, présents à l’interface entre l’isolant et le semi-conducteur, sont les principaux responsables du piégeage des porteurs de charges dans les transistors organiques. Afin de limiter leur présence, une technologie basée sur l’emploi d’une couche interfaciale diélectrique passivante, pauvre en groupements hydroxyles, à base de fluorure de calcium, a été mise en place. L’influence de cette couche sur le comportement de transistors à base de pentacène a été étudiée, de même que le vieillissement de ces dispositifs sous différentes conditions de stockage (sous vide et à l’air) et sous contrainte électrique.Ainsi, il a été mis en évidence qu’une couche de fluorure de calcium d’une épaisseur trop importante (de l’ordre de 5 nm) modifie la morphologie de la couche de pentacène, ce qui se traduit par une quasi-disparition du transport de charges dans le pentacène en configuration de transistor à effet de champ. Les études de vieillissement ont montré que sous l’effet de la couche interfaciale de CaF2, même d’une très fine épaisseur (de quelques nanomètres), une quantité plus importante d’humidité est présente dans la couche de pentacène, probablement à cause de la nature hygroscopique du fluorure de calcium.

These recent years, Organic Field-Effect Transistor (OFET) development has significantly improved it performances and it stability. This was made possible, through a better understanding of the mechanisms governing charge transport in these devices. However, some phenomena remain unclear, in particular, at the interface between the semiconductor and the dielectric. Charge carrier trapping which is one of the main causes of charge transport disturbance in organic transistors, is one of them. So, this work aims to investigate such phenomena in pentacene-based transistors.Polar groups and particularly, hydroxyl groups, located at the insulator-semiconductor interface, are the main sources of charge carriers trapping in OFET. To prevent their presence, an OFET fabrication technology based on a passivating dielectric, poor of hydroxyl groups, calcium fluoride-based interfacial layer has been developed. Effect of this layer on pentacene-based transistors operation has been studied, as well as these devices aging under different storage atmosphere (in vacuum and in air) and under electrical stress.Thus, it has been highlighted that an interfacial layer of calcium fluoride with a too high thickness (around 5 nm) changes pentacene layer morphology which results in a quasi-disappearance of charge transport in pentacene in OFET configuration. Aging studies showed that under the effect of CaF2 interfacial layer, even with a very thin thickness (a few nanometers), a greater quantity of moisture is induced in pentacene layer probably due to the hygroscopic nature of calcium fluoride.