Brevet FR2627629A1 — publié le 19890825

Transistor à effet de champ utilisant des métallophtalocyanines dopées comme matériau actif. Domaines d'application : électronique capteurs effet photovoltaïque Applications :-transistor à grille isolée -dispositifs à mémoires -dispositifs adressables -affichage sur écrans plats -détection de gaz et de molécules acceptrices/donneuses d'électrons -cellules solaires Motivations générales Les métallophtalocyanines sont actuellement utilisées dans l'industrie comme colorants, isolants dlectriques, catalyseurs de l'oxygène. I1 est proposé d'employer des métallophtalocyanines de métaux divalents ( PcM, M: Fe, Co, Ni, Cu, Zn ) dopées par des molécules acceptrices ou donneuses d'électrons dans des transistors à effet de champ à grille isolée. Etat de l'art Les transistors dont le semiconducteur est formé d'un film mince (TFT) sont actuellement pour l'essentiel basés sur le silicium amorphe hydrogèné. Peu de brevets ou publications font apparaitre des matériaux moléculaires. Les exceptions à eet égard sont les suivantes (I) M.L. Petrova, L.D. Rozenshtein Sov. Physics Solid State I2 756 (1970). Semiconducteur: chîcranil (monocristal) PeH2, tétracène: films minces mais résultats négatifs pour l'effet transistor. (2) H.Koezuka, A. Tsumura, T. Ando synth. Metal 18 699 (1987). semiconducteur : polythiophène, gain: 10 ; mobili té porteurs: 10-5 cm/V.s. (3) R. Madru, G. Guillaud, M. Al Sadoun, M. Maitrot, C. Clarisse, M. Le Contellec, J.J. André, J. Simon Chem. Phys. Letters 142 103 (1987). semiconducteur: Pc2Lu (4) H. Laurs, G. Heiland Thin Solid Films I49 129 (1987). PcM, M H2, Fe, Co, Ni,Cu, dopé à l'air, lithium. Le dispositif actuel se distingue des précédents, car c'est la première fois qu'une métallophtalocyanine isolante dopée en surface montre les caractéristiques électriques propres aux transistors à effet de champ. - effet de grille sur un courant source-drain dans la région où la loi de conduction est régie par. la loi d'Ohm - démonstration du pincement(pinch off) à partir d'une tension seuil - gain supérieur à 100 Le dispositif dont le schéma est représenté Figurer est réalisé en déposant successivement par sublimation sous vide sur un-substrat de silicium(I) dont la surface est thermi- quement oxydée (épaisseur de SiO2 (2): 3000 A, : o - 2000 A de phtalocyanine de zinc (ou d'un autre métal) (3) 2 électrodes d'or /ou d'autre métal) de 50 m et # d'épaisseur 800 A (largeur: 2 mm) (4) o - 200 A de dopant (les caractéristiques électriques sont décrites pour la trinitrofluorénone TNP) (5) le courant source-drain (électrodes métalliques déposées) est modulé par une tension appliquée au silicium utilisé comme conducteur. les caractéristiques électriques de la figure 2 (intensité du courant source-drain ID en fonction de la tension souri ce-drain VD pou diverses valeurs de la tension de grille Vg ) @ ont été observées. les points suivants méritent autre notés: - lorsque VsDsO, le courant est régi par une loi en I#Vn (n N 2) : le potentiel de grille module la quantité de porteurs injectés à partir des électrodes. - lorsque VsDsO, les caractéristiques des transistors. usuels sont observées. Les formules suivantes sont employées pour calculer les paramètres du dispositif: gm=(dID/dVg) VD = Cst :trnsconductance rm=(dVD/dID) Vg = Cst :résistance du drain k - gmrd : facteur d'amplification 7 7 IO-IOS ; rd= 2 IOII# * (s = I,2 IO-8 S.c-I) A = 140 Les mobilités calculées à partir de l'équation de la transi conductance sont d'environ : IO 4 cm2/V.s . La tension de seuil est comprise entre -I et -3 V (figure 7 et figure 8 ). Le dispositif est stable sous vide indéfiniment (test de plusieurs jours effectué) Le dispositif remis à l'air après une légère perte au dé- but de l'exposition, retrouve quasiment les caractéristiques initiales aprèr 48 heures (figure 4 et figure 5). Le dispositif éclairé en lumière blanche (20 mW/cm2 ) pré sente un effet de champ exalté (A x 2). Figure 6. Phtaïocyanine utilisée comme matériau actif: PcM, M: éléments des groupes III, IV, VA, VIA, VIIA, VIII I3 II3 1113, 1V3, V 3 Dopants : molécules sublimables susceptibles de capter ou de donner des électrons. Donneurs: tétrathiofulvalène, tétraphénildithiopyralini dène, pérylène bis benzimidazole Accepteurs: quinones substituées N, 02, ON, F, fluorénone, benzoquinone, anthraquinone Dispositifs électroniques d'une configuration autre que celle représentée figure I et en particulier le dispositif le plus usuel (fig. 3) Dispositifs de capteurs de-gaz: 02, NH3, H2S Cellules solaires REVENDICATIONS I) Transistor à effet de champ réalisé en déposant des métallophtalocyanines (3) sur un isolant (2). Deux contacts métalliques (4) servent de source et de drain. Un contact électrique (I) servant de grille permet'd'appliquer une ten sion afin de moduler le courant circulant entre source et drain. 2) Transistor à effet de -champ selon la revendication I caractérisé en ce que la métallophtalocyanine (3) est dépo sée par sublimation sous vide sur un isolant (2) réalisé par oxydation thermique d'une plaquette de silicium conducteur (I) servant de contact de grille. Deux contacts métalliques (4) d'or ou autre métal sont déposés sur la métallophtalocya- nine (3) 3) Transistor à effet de champ selon la revendication I ou la revendication 2 caractérisé en ce que le dopant (5) est déposé par sublimation à la surface de la métallophtalo cyanine (3). 4) Transistor à effet de champ selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la métallo phtaiocyanine (3) peut être l'une de celles citées ci-desuous: Pck : métallophtalocyanine où M est choisi parmi les éléments des groupes III, IVA, VA, VIA, VILLA, VIII, IB, IIB, IIIB, IVB, VB 5) Transistor à effet de champ selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dopant (5) est donneur s'il est choisi parmi les produits suivants: tétrathiofulvalène, tétras phényldithiopyralinîdène, pérylène bis benzimidazole. 6) Transistor à effet de champ selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dopant (5) est accepteur s'il est choisi parmi les produits suivants: quinones substituées N, C2, CN, F, iluorénone, benzoquinone, anthraquinone. Revendications - Phtalocyanine utilisée comme matériau actif; PcM. M : éléments des groupes III, IVA, Va, VIA, VIIA, VIII, IB. IIB, IIIB, IVB, VB. - dopants: Molecules sublimables susceptibles de capter ou de donner des electrons donneurs: . tetrathiofulvalene tétraphenyldithiopyralinidène pérylène bis benzimidazole accepteurs : . quinones substituées N, O2, CN, F fluorenone bezoquinone anthraquinone - Dispositifs électroniques d'une configuration autre que celle représentée figure 1 et en particulier le dispositif le plus usuel (fig. 3). Figure 3 - Dispositifs de capteurs de gaz: O2, NH3, H2S - Cellules solaires