Brevet FR2922684A1 — publié le 20090424

Transistor à effet de champ formé sur une fibre et procédé de réalisation Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un transistor à effet de champ comportant une électrode de source et une électrode de drain séparées par un canal, et 10 formé sur une fibre. L'invention consiste également en un procédé de réalisation d'un tel transistor. État de la technique II est connu comme illustré à la figure 1, que le rapport de la largeur W du canal d'un transistor sur la longueur L. du canal 1 du transistor est un des 20 paramètres importants des transistors. En particulier, le courant lds entre l'électrode de source 2 et l'électrode de drain 3 du transistor est directement proportionnel à ce rapport W/L. Le document US-A-2005/0253134 divulgue (figure 2) une structure sur fibre 25 avec un transistor à effet de champ disposé longitudinalement le long de la fibre et comportant deux canaux 1, placés entre l'électrode de source 2 et l'électrode de drain 3, de manière symétrique par rapport à l'axe de la fibre. L'électrode de grille 4 forme l'âme de la fibre. Celle-ci est recouverte d'une couche d'isolation électrique 5. Sur l'isolant 5 sont réalisées l'électrode de 30 source 2 et l'électrode de drain 3. Ces électrodes s'étendent longitudinalement par rapport à l'axe de la fibre formé par l'électrode de grille 15 4 de part et d'autre de cet axe. Un semi-conducteur organique entoure l'ensemble et constitue deux canaux 1, de part et d'autre de l'axe de la fibre, dans l'espace laissé libre par les électrodes de source et de drain. Le transistor est de type grille basse. Dans une variante de réalisation du document US-A-2005/0253134, illustrée à la figure 3, l'âme de la fibre est vide ou est formée par un fil électriquement isolant 6 sur lequel est déposé une couche de semi-conducteur. Les électrodes de source 2 et de drain 3 sont réalisées, longitudinalement, dans ce matériau semi-conducteur, longitudinalement de part et d'autre du fil 6. Une couche d'isolation électrique 5 entoure l'ensemble et l'électrode de grille 4 entoure la couche 5. Le transistor ainsi obtenu est de type grille haute. Dans les deux variantes de réalisation décrites dans US-A-2005/0253134 la longueur L du canal est faible tandis que sa largeur W, étant parallèle à l'axe de la fibre, peut être élevée. Il est ainsi possible d'obtenir un bon rapport W/L en jouant sur la longueur du transistor le long de la fibre. Une autre structure de transistor sur fibre, illustrée à la figure 4, a également été divulguée. Dans cette structure, le canal 1 est perpendiculaire à la direction longitudinale de la fibre. Sa longueur L, parallèle à l'axe de la fibre constitué, comme sur la figure 2, par la grille, est alors fixée par la position des électrodes de source 2 et de drain 3, décalées longitudinalement et entourant l'isolant de grille, qui entoure lui même la grille. Le rapport W/L est donc limité car la largeur W du canal, correspondant à la circonférence de la section de la fibre, est limitée par le diamètre de la fibre. Pour augmenter le rapport W/L, il faut donc diminuer L. Cependant la diminution de la longueur L, en dessous de 51um, peut faire apparaître des effets non désirés de canal court. De plus il paraît difficilement concevable d'augmenter le diamètre de la fibre, tout en conservant la flexibilité nécessaire pour être utilisé dans les métiers à tisser et à tricoter existants (diamètre de fil compris entre 50 et 500pm). Objet de l'invention L'invention a pour but un transistor sur fibre ayant un rapport W/L optimisé. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les électrodes de source et io de drain sont enroulées en double hélice autour de la fibre. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un transistor sur fibre, comportant successivement : - la réalisation d'un support en forme de fibre, 15 - la formation d'une électrode de source et d'une électrode de drain enroulées en double hélice autour du support. Description sommaire des dessins 20 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : 25 La figure 1 illustre un transistor de l'art antérieur en vue de dessus. Les figures 2 à 4 illustrent trois modes de réalisation d'un transistor sur fibre selon l'art antérieur (en coupe figure 2 et 3, en vue de dessus figure 4). Les figures 5 à 9 illustrent, en vue de dessus, différents modes de réalisation d'un transistor selon l'invention, dont les extrémités ont été dénudées pour 30 montrer la superposition des différentes couches, du centre de la fibre vers l'extérieur. Description de modes de réalisation particuliers Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 5, l'âme de la fibre est un fil conducteur, de préférence en cuivre, qui sert à la fois de support et d'électrode de grille 4. L'électrode de grille 4 est recouverte par une couche d'isolation électrique 5, par exemple en polyimide ou en polyoléfine. Dans le 1 o cas d'un fil de cuivre, celui-ci peut être émaillé. La couche d'isolation électrique 5 est ensuite recouverte d'une couche 7 de semi-conducteur, destinée à former le canal, sur laquelle sont ensuite réalisées les électrodes de source 2 et de drain 3. Les électrodes 2 et 3 sont enroulées autour de la fibre en double hélice. Chaque électrode est donc enroulée en hélice autours 15 de la couche semi-conductrice 7, les deux hélices étant parallèles et séparées l'une de l'autre par la longueur L du canal. Celle-ci peut être très faible, à titre d'exemple, elle peut aller de moins de 1�m à plusieurs dizaines de �m. La largeur W du canal correspond alors à la longueur de l'une des hélices et peut être aussi grande que désirée. Les électrodes 2, 3 et le canal 20 apparent peuvent ensuite être recouvert d'une couche de protection (non représentée). Le transistor ainsi obtenu est du type grille basse/contact haut (en anglais bottom gate û top contact). Dans la variante de réalisation particulière illustrée à la figure 6, l'âme de la 25 fibre joue le même rôle qu'à la figure 5, les électrodes de source 2 et de drain 3 sont réalisées, toujours en double hélice, directement sur la couche d'isolation électrique 5, puis recouvertes par la couche de semi-conducteur 7, destinée à former le canal. La couche de semi-conducteur 7 est ensuite, de préférence, recouverte par une couche de protection (non représentée). Le 30 transistor ainsi obtenu est du type grille basse û contact bas (en anglais bottom gate û bottom contact). Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 7, l'âme de la fibre est un fil neutre électriquement isolant 6, qui sert de support au transistor. La couche de semi-conducteur, destinée à former le canal, entoure le fil 6. Les électrodes de source 2 et de drain 3 sont ensuite réalisées, toujours en double hélice, au-dessus de la couche de semi-conducteur. Les électrodes 2,3 et le canal apparent sont ensuite recouverts par la couche d'isolation électrique 5, puis par l'électrode de grille. Le transistor ainsi obtenu est du type grille haute - contact haut (en anglais top gate û top contact). Dans la variante de réalisation particulière illustrée à la figure 8, les électrodes 2,3 sont réalisées directement sur le fil électriquement isolant 6. Les électrodes 2,3 sont ensuite noyées dans la couche en semi-conducteur 7, destinée à former le canal. Ensuite la couche d'isolant électrique 5 est déposée et entourée par l'électrode de grille 4. Le transistor ainsi obtenu est du type grille haute - contact bas (en anglais top gate û bottom contact). Les électrodes 2,3 en double hélice peuvent être réalisées en déposant, soit sur la couche isolante 5, soit sur la couche semi-conductrice 7, une couche conductrice qui peut être métallique (or, platine, nickel, aluminium, cuivre, argent, etc.) ou d'une autre nature tels que les polymères de type PEDOT:PSS ou les polyanilines. Ensuite un laser est utilisé pour graver la couche conductrice et former les électrodes 2,3, en double hélice. Le canal 1 est ainsi constitué, entre les électrodes par l'ablation de la couche conductrice lors de la gravure. Le laser est, de préférence, de type excimer avec une longueur d'onde de 308nm. La spécificité des électrodes en double hélice nécessite un double mouvement de la tête laser par rapport à la fibre, c'est-à-dire translation et rotation. Selon les besoins, le faisceau laser peut être focalisé, de manière à correspondre à la longueur L du canal ou ne pas être focalisé ce qui nécessite alors l'utilisation d'un masque spécifique pouvant s'apparenter à de la photolitographie. Selon un mode de réalisation particulier illustré figure 9, les électrodes de source 2 et de drain 3 en double hélice sont réalisées par un masquage par guipage. Le guipage est une technique classiquement utilisée dans l'industrie textile. Elle consiste à entourer un fil appelé fil d'âme 8 par un fil appelé fil d'effet 9. Dans une première variante, selon une méthode dite additive, le canal peut être réalisé par dépôt des électrodes conductrices à travers un masque io mécanique. Deux fils d'effet 9 sont enroulés en double hélice autour du fil d'âme 8 et font office de masque mécanique à l'emplacement du canal. Le dépôt de la couche conductrice peut alors être réalisé par évaporation, pulvérisation, jet de matière, etc., de rnatériaux métalliques ou autres. Pour éviter les courts-circuits entre l'électrode de source 2 et l'électrode de drain 3, 15 on peut par exemple faire croiser les deux fils guipés en double hélice aux deux extrémités des rnotifs. La longueur L du canal 1 va dépendre du diamètre du fil d'effet 9. De préférence, le diamètre du fil d'effet 9 est inférieur à 100pm. Après dépôt de la couche conductrice, les fils d'effet 9 sont retirés pour laisser sur le fil d'âme 8 uniquement les électrodes de source 2 et de 20 drain 3 séparées par le canal 1 ainsi créé à l'emplacement du fil d'effet. Les fils d'effet 9 peuvent être retirés mécaniquement ou par attaque chimique ou physique. À titre d'exemple, sont utilisés des fils d'effet solubles dans l'eau (Sovron�: polyvinylalcool) ou dans un solvant. 25 Dans une autre variante, selon une méthode dite soustractive, illustré à la figure 9, après le dépôt de la couche conductrice destinée à former les électrodes sur le fil d'âme 8, un double guipage est réalisé par deux fils d'effet 9 aux emplacements destinés aux deux électrodes. Le masque mécanique ainsi créé permet de protéger une partie de la couche 30 conductrice. L'autre partie non protégée par le masque mécanique, est ensuite retirée afin de délimiter le canal 1. Pour éviter les courts-circuits entre l'électrode de source 2 et l'électrode de drain 3, on peut par exemple faire croiser les deux fils guipés en double hélice aux deux extrémités des motifs. Les fils d'effet sont ensuite retirés, laissant les électrodes en double hélice apparente. Selon un autre mode de réalisation particulier, les électrodes de source 2 et de drain 3 sont directement constituées par des fils métalliques enroulés par double guipage autour du fil d'âme et sans contact entre eux. Il est possible d'envisager un triple guipage avec deux fils conducteurs enroulés en double io hélice autour du fil d'âme et séparés par un troisième fil électriquement isolant, de diamètre équivalent à la longueur L du canal. Ce troisième fil peut être laissé en place ou supprimé mécaniquement, physiquement ou chimiquement. 15 Dans une variante, les transistors sur fibre sont recouverts d'une couche protectrice d'encapsulation. De tels transistors formés sur fibre peuvent être utilisés pour la réalisation de blocs logiques intégrés dans des textiles, par tissage, tricotage, etc. Ils 20 peuvent servir pour la gestion de source d'énergie ou à la gestion de capteurs corporels répartis sur un vêtement. À titre d'exemple, il est possible d'utiliser des circuits à base de transistors sur fibre dans des vêtements médicaux pouvant enregistrer et restituer des informations concernant l'état de santé d'une personne, comme sa température corporelle, sa tension 25 artérielle, son rythme cardiaque, etc. Le transistor peut être aussi directement utilisé comme capteur physique ou chimique (ses caractéristiques électriques étant dépendantes du milieu ambiant). Il est également envisageable d'utiliser de tels transistors pour gérer des systèmes autonomes d'énergie nomades tels que des sources d'énergie 30 photovoltaïque, circuits logiques, micro batterie. Revendications 1. Transistor à effet de champ comportant une électrode de source (2) et une électrode de drain (3) séparées par un canal (1), et formé sur une fibre, caractérisé en ce que les électrodes de source (2) et de drain (3) sont enroulées en double hélice autour de la fibre. 2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal est 10 formé entre les électrodes de source (2) et de drain (3). 3. Transistor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre est un fil porteur électriquement isolant sur lequel sont successivement disposées les électrodes de source (2) et de drain (3) en forme de double hélice, une 15 couche de semi-conducteur (7) formant le canal, une couche électriquement isolante (5) recouverte d'une électrode de grille (4). 4. Transistor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre est un fil porteur électriquement isolant (5) sur lequel sont successivement 20 disposées une couche de semi-conducteur (7) formant le canal, les électrodes de source (2) et de drain (3) en forme de double hélice, une couche électriquement isolante (5) recouverte d'une électrode de grille (4). 5. Transistor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre est une 25 électrode de grille (4). 6. Transistor selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une couche isolante (5), les électrodes de source (2) et de drain (3) en forme de double hélice, et une couche semi-conductrice (7) formant le canal sont 30 successivement disposées sur l'électrode de grille (4). 8 7. Transistor selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une couche isolante (5), une couche semi-conductrice (7) formant le canal, les électrodes de source (2) et de drain (3) en forme de double hélice sont successivement disposées sur l'électrode de grille (4). 8. Transistor selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'électrode de grille (4) est un fil de cuivre recouvert d'un émail constituant la couche isolante (5). 10 9. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est recouvert par une couche d'encapsulation. 10. Procédé de réalisation d'un transistor sur fibre caractérisé en ce qu'il comporte successivement 15 la réalisation d'un support en forme de fibre, la formation d'une électrode de source (2) et d'une électrode de drain (3) enroulées en double hélice autour du support. 11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que les électrodes 20 sont formées par le dépôt d'une couche conductrice, ensuite gravée par laser. 12. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que les électrodes (2,3) sont formées par dépôt d'une couche conductrice, deux fils d'effet (9) 25 étant ensuite enroulés par double guipage et sans contact entre eux, autour de la fibre recouverte de ladite couche conductrice, les parties de la couche conductrice non recouvertes par les fils d'effets étant ensuite supprimées. 13. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que les électrodes 30 sont délimitées par l'enroulement de cieux fils d'effet autour du support, le dépôt d'une couche conductrice, puis le retrait desdits fils d'effet.5 14. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les électrodes sont constituées de deux fils électriquement conducteurs enroulés en double hélice, et sans contact entre eux.5