EP2756532A1 - 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

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Publication number
EP2756532A1
EP2756532A1 EP12753770.2A EP12753770A EP2756532A1 EP 2756532 A1 EP2756532 A1 EP 2756532A1 EP 12753770 A EP12753770 A EP 12753770A EP 2756532 A1 EP2756532 A1 EP 2756532A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gate electrode
intermediate layer
effect transistor
field effect
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12753770.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mohammed Benwadih
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of EP2756532A1 publication Critical patent/EP2756532A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/468—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics
    • H10K10/474—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics the gate dielectric comprising a multilayered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/464—Lateral top-gate IGFETs comprising only a single gate
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass

Definitions

  • the present invention relates to the field of organic transistors, such as, for example, thin film transistors, more commonly known as "Organic Thin Film Transistor” (OTFT). It relates more particularly to an organic transistor comprising means for limiting the leakage currents appearing between the gate and the semiconductor of said transistor.
  • organic transistors such as, for example, thin film transistors, more commonly known as "Organic Thin Film Transistor” (OTFT).
  • OTFT Organic Thin Film Transistor
  • FIG. 1 shows an organic thin film transistor of the prior art having a so-called “high gate” and “low contacts” structure.
  • said transistor 1 comprises:
  • a lower substrate 2 on whose upper face are formed two electrodes 3, 4, a first source electrode 3 and a second drain electrode 4,
  • a semiconductor layer 5 obtained in a semiconductor material and deposited on the lower substrate 2, the source electrode 3 and the drain electrode 4, and a dielectric layer 6 obtained in a dielectric material and deposited on the layer semiconductor 5, and on which is formed a gate electrode 7.
  • the transistor effect is obtained, in known manner, by applying a voltage between the gate 7 and the lower substrate 2, so as to create, in the semiconductor layer 5, a conduction channel 8 between the source electrode 3 and the drain electrode 4.
  • field effect transistors incorporating a semiconductor layer made of an organic material comprise a dielectric layer whose insulating properties are not perfect, so that a leakage current 9, schematically represented in FIG. 1, appears between the gate electrode 7 and the electrodes 3 and 4, altering the operation of said transistor.
  • the leakage current 9 which is a current which passes through the dielectric layer 6 from the gate electrode 7 to the source electrode 3, strongly degrades the current loff of the field effect transistor.
  • the leakage current is too great, the breakdown of the transistor is observed and the current Ion and loff are no longer measured but only the leakage current, the field effect of the transistor having then disappeared.
  • intrinsic properties of the dielectric layer 6 is meant, the insulating properties of said dielectric layer and / or the quality of the deposited dielectric layer. Nevertheless, by modifying the intrinsic properties of the dielectric layer 6 or by increasing its thickness, it overbids the manufacturing costs of these transistors and also modifies the other characteristics of the transistor such as, in particular, the capacity of the dielectric layer, which is then likely to generate parasitic capacitances also altering the proper operation of the transistor.
  • a field effect transistor comprising at least one lower substrate on which are deposited two electrodes, a source electrode and a drain electrode, a so-called dielectric layer made in one dielectric material, and a gate electrode deposited on the dielectric layer.
  • this transistor further comprises an intermediate layer, called the blocking layer, made of a material comprising molecules having a dipole moment meeting particular orientation criteria, deposited between the gate electrode and the dielectric layer. said intermediate layer extending at least under the entire area occupied by the gate electrode.
  • This intermediate layer creates an energy barrier under the gate electrode that limits the passage of charges.
  • the negative surface charge of the molecules of the intermediate blocking layer pushes the electrons that want to go from the gate electrode to the dielectric layer when the transistor is N-type.
  • the constituent material of the intermediate layer used consists of at least one organic compound comprising at least one function of hanging on the gate electrode.
  • said organic compound comprises a spacer R, consisting of a linear, branched or cyclic carbon chain and may also comprise at least one hetero atom.
  • the gate electrode is metallic and said material constituting the intermediate layer consists of an organosulfur compound, the organosulfur compounds providing a hook with the gold molecules, constituting the most generally the source and drain electrodes.
  • the molecules of the constituent material of the intermediate layer has a dipole moment directed towards the gate electrode when the transistor is of type N. Such molecules block the electrons present on the gate electrode .
  • at least a part of the molecules of the material constituting the intermediate layer has a dipole moment directed towards the dielectric layer when the transistor is of type P, which makes it possible to block the holes, thus limiting their passage from the gate electrode to the dielectric layer.
  • Another subject of the invention relates to a method for manufacturing a field effect transistor comprising at least one step of depositing two electrodes on a substrate, a source electrode and a drain electrode, a deposition step of a dielectric layer, and a step of depositing a gate electrode on said dielectric layer.
  • This method consists, prior to deposition of the gate electrode, of depositing on the dielectric layer an intermediate layer made of a material comprising molecules having a dipole moment, the gate electrode being deposited on said intermediate layer.
  • the intermediate layer is deposited on the dielectric layer by ink jet.
  • FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a so-called “high gate” and “low contact” field effect transistor of the prior art
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of a "high gate” and “low contact” type field effect transistor comprising means for limiting the leakage current according to the invention
  • FIG. 3 is a diagrammatic sectional view of the interface between the gate electrode and the dielectric layer of the field effect transistor according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of the interface between the gate electrode and the dielectric layer of an alternative embodiment of the field effect transistor of the invention
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of the gate electrode and a layer obtained in a material comprising dipole moment molecules of the field effect transistor according to the invention
  • FIG. 6 is a schematic graphical representation of the various molecules of the material in which the intermediate layer of the field effect transistor according to the invention is obtained
  • Figure 7 is a schematic sectional view of an alternative embodiment of the "low gate” type field effect transistor according to the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the field effect transistor 1 has a "high gate” and “low contact” type structure. It comprises a lower substrate 2 on which are deposited two electrodes 3, 4, a source electrode 3 and a drain electrode 4. It further comprises a semiconductor layer 5 made of a semiconductor material, and deposited on the lower substrate 2, the source electrode 3 and the drain electrode 4. It then comprises a dielectric layer 6 made of a dielectric material and deposited on the semiconductor layer 5. Finally, a gate electrode 7 is formed on the dielectric layer 6.
  • the transistor 1 also comprises an intermediate layer 10 also called blocking layer, made of a material comprising molecules having a dipole moment, and deposited between the gate electrode 7 and the dielectric layer 6, said intermediate layer 10 extending under the entire surface of the gate electrode 7.
  • an intermediate layer 10 also called blocking layer, made of a material comprising molecules having a dipole moment, and deposited between the gate electrode 7 and the dielectric layer 6, said intermediate layer 10 extending under the entire surface of the gate electrode 7.
  • the lower substrate 2 is made of a material chosen from the group comprising: glass, doped or non-doped silicon, polymers such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polycarbonate , polystyrene, acrylates, etc.
  • the lower substrate 2 may however be made of any other material well known to those skilled in the art.
  • the semiconductor layer 5 is made of a semiconductor organic material selected from the group consisting of: semiconductor organic molecules such as tetracene, pentancene, phthalocyanine, semiconductor polymers such as polytiophene, polyfluorene, polyphenylene vinylene or their derivatives such as poly (3-octyl), thiophene, poly [2-methoxy-5- (2'-ethylhexyloxy) -1,4], phenylene, vinylamine or oligomer such as ⁇ -sexithiophenes.
  • semiconductor organic molecules such as tetracene, pentancene, phthalocyanine
  • semiconductor polymers such as polytiophene, polyfluorene, polyphenylene vinylene or their derivatives such as poly (3-octyl), thiophene, poly [2-methoxy-5- (2'-ethylhexyloxy) -1,4], phenylene, vinylamine or oligomer such
  • the invention is particularly suitable for organic transistors, that is to say transistors in which the semiconductor layer 5 is made of an organic material
  • the invention can also be applied to so-called inorganic transistors.
  • the semiconductor layer 5 can also be obtained in a semiconductor inorganic material well known to those skilled in the art such as silicon or gallium arsenide (GaAs) for example.
  • the dielectric layer 6 is made of a material chosen from the group comprising: silicon dioxide, silicon nitrate, titanium dioxide, aluminum oxides, hafnium dioxide, polyimides, polyvinyl, pyrrolidone, polymethylmethacrylate, polyamide, parylene, polystyrene, polyvinylphenol, a fluoropolymer, or any other dielectric material well known to those skilled in the art.
  • the source 3, drain 4 and gate 7 electrodes are advantageously produced.
  • metal such as aluminum, titanium, nickel, gold, chromium, etc ....
  • metal particles metal oxides such as indium oxide tin, indium-zinc oxide, etc.
  • conductive polymers such as 3, 4 - polyethylene dioxythiophene-polystyrene, sulfonate (PEDOT: PSS) or polyaniline, etc ..., or doped silicon materials.
  • the characteristic intermediate layer of the invention is advantageously made of a material composed of molecules having a dipole moment, that is to say of which the negative and positive charges are concentrated in opposition to one another, defining a dipole moment .
  • a molecule is polar if it contains at least one polarized covalent bond and if the barycentre of the positive partial charges does not coincide with the barycenter of the negative partial charges.
  • the intermediate layer 10 located under the gate electrode 7 is made of a material consisting of molecules whose dipole moment is directed to the grid.
  • the dipole moment of the constituent molecules of said material is oriented substantially perpendicular to the plane of the layers.
  • the intermediate layer 10 creates an energy barrier under the gate electrode 7 which blocks the passage of electrons.
  • the negative charge on the surface of the molecules of the intermediate layer 10 repels the electrons that want to pass from the gate electrode 7 towards the dielectric layer 6.
  • the centroid N of the constituent material of the intermediate layer 10 is positioned to the right of the lower surface of the pin electrode 7 thereby blocking the electrons at said gate electrode.
  • the centroid P of the constituent material of the intermediate layer 10 can be positioned at the right of the lower surface of the gate electrode 7. In this way, said material blocks the holes. of the dielectric layer 6 preventing the passage of electrons from the gate electrode 7 in the dielectric layer 6, and therefore the appearance of a leakage current in said dielectric layer 6, even if the electrons pass into the intermediate layer 10.
  • the intermediate layer 10 located beneath the gate electrode 7 consists of a self-assembled monolayer called SAM, according to the acronym "Self Assembled Monolayer", comprising an electrical imbalance within molecules constituting said monolayer.
  • the material constituting the intermediate layer consists of at least one organic compound comprising at least one hooking function 11 on the gate electrode 7 and a spacer R.
  • Said spacer R may consist of a linear, branched or cyclic carbon chain and may also comprise at least one hetero atom.
  • the hook function 11 is not necessarily a molecule generating a chemical bond with the molecules of the gate electrode 7. Indeed, the function of hanging with the gate electrode 7 can be ensured by Van der Waals forces for example.
  • the constituent material of the intermediate layer may for example consist of an organosulfur compound, that is to say an organic molecule comprising a thiol group (SH).
  • the organosulfur compounds provide an adhesion in the form of a chemical bond with the gold molecules, when the source and drain electrodes are made of this metal.
  • the organosulfur compound may for example consist of alkanathiol, triophenol, mercaptopyridine, mercaptoaniline, mercaptoimidazole, cysteine or tripod-thiol.
  • said material may consist of other organosulfur compounds, such as, for example, compounds comprising a dialkylsulfide, diakyldisulphide, alkylxanthate, dialkylthiocarbonate, thiophene, thiourea, thioctic acid, thiocyanate, pyridine-ethyl or ethylenic nitrile (CNE) group, Trimethyl-silica, ethyl (TMSE), acetyl or tertiary butyl carbonyl.
  • organosulfur compounds such as, for example, compounds comprising a dialkylsulfide, diakyldisulphide, alkylxanthate, dialkylthiocarbonate, thiophene, thiourea, thioctic acid, thiocyanate, pyridine-ethyl or ethylenic nitrile (CNE) group, Trimethyl-silica, ethyl
  • organosulfur compounds comprising an acetyl (Ac), tertiary butyl carbonyl (Boc), trimethyl-silica-ethyl (TMSE), pyridine-ethyl, ethyl nitrile (CNE), thiocyanate, thioctic acid and tripod-thiol group are particularly suitable.
  • SAM self-assembled monolayer
  • the field effect transistor 1 is obtained by deposition on a polyethylene naphthalate (PEN) substrate having a thickness of about 125 microns, forming the lower substrate 2 of the transistor, and 3 nanometers 'or (Au).
  • PEN polyethylene naphthalate
  • the gold layer (Au) is then etched to obtain a source electrode 3 and a drain electrode 4.
  • a triisopropylsilyl (TIPS) pentacene semiconducting layer 5 of approximately 90 nanometers thick is deposited by rotogravure. , which is then covered with a dielectric layer 6 fluoropolymer sold under the brand CYTOP ® for example, to a thickness of about 800 nanometers.
  • cysteine molecules of general formula HSNH2COOH are deposited by ink jet on a portion of the upper surface of the dielectric layer 6 in line with the region of the gate electrode 7 to form an intermediate layer 10.
  • the intermediate layer 10 may be deposited by any other deposition method well known to those skilled in the art such as by thermal evaporation or by a photolithographic process for example, without departing from the scope of the invention.

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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 une couche intermédiaire (10) réalisée en un matériau comprenant des molécules présentant un moment dipolaire répondant à des critères particuliers d'orientation, 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), cette couche intermédiaire étant réalisée en un composé organique comprenant au moins une fonction d'accroche sur l'électrode de grille (7).

Description

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. 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 loff 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 loff mais uniquement le courant de fuite, l'effet de champ du transistor ayant alors disparu.
Une telle dégradation du courant loff 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. 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 répondant à des critères particuliers d'orientation, 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 œuvre consiste dans au moins un composé organique comprenant au moins une fonction d'accroché sur l'électrode de grille. Avantageusement, ledit composé organique 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. 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, 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 DÉTAILLÉE 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. 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)-l,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 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. En d'autres termes, le moment dipolaire des molécules constitutives dudit matériau est orienté sensiblement perpendiculairement au plan des couches. 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 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'accroché 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 hétéro atome.
On observera que la fonction d'accroché 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'accroché 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. On peut noter 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 RÉALISATION :
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.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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 répondant à des critères particuliers d'orientation, 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),
• et en ce que la couche intermédiaire (10) est réalisée en un composé organique comprenant au moins une fonction d'accroché (11) sur l'électrode de grille (7).
2. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, 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 hétéro atome.
3. Transistor à effet de champ selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrode de grille est métallique et en ce que le composé organique comprend au moins un composé organosoufré.
4. Transistor à effet de champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 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.
5. Transistor à effet de champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 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. 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 et constitué d'un composé organique comprenant au moins une fonction d'accroché (11) sur l'électrode de grille (7), ladite 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).
Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (10) est déposée sur la couche diélectrique (6) par jet d'encre.
Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le matériau constitutif de la couche intermédiaire (10) est constitué d'un composé organique comprenant un espaceur R consistant dans une chaîne carbonée linéaire, branchée ou cyclique et pouvant également comprendre un hétéro atome.
Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le matériau constitutif de la couche intermédiaire (10) est constitué au moins un composé organosoufré et en ce que l'électrode de grille est métallique.
Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, 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. Procédé pour la réalisation d'un transistor à effet de champ (1) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, 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.
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