Brevet FR2925226A1 — publié le 20090619

Transistor organique ayant des objets nanométriques de forme filaire dans une matrice organique semi-conductrice et procédé de réalisation. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un transistor organique comportant des électrodes 1 o de source, de drain et de grille et un canal comportant des objets nanométriques de forme filaire. L'invention est également relative à son procédé de réalisation. 15 État de la technique De manière conventionnelle, les transistors organiques sont réalisés par l'empilement de multiples couches organiques, typiquement des niveaux conducteurs, isolants et semi-conducteurs. Le choix et la répartition de ces 20 différentes couches font que le transistor organique présente une structure complexe. Cependant, le développement de l'électronique organique est lié à l'amélioration de leurs performances électriques et notamment à l'augmentation de la mobilité des couches organiques semi-conductrices. En effet, il est difficile d'obtenir des couches semi-conductrices ayant une 25 mobilité supérieure à celle du silicium amorphe (environ lcm2Ns). L'amélioration des performances des couches organiques semi-conductrices est globalement orientée vers le développement de nouvelles architectures organiques. Cependant, des recherches sur les matériaux hybrides, qui 30 intègrent des matériaux conducteurs au sein d'une couche organique, ont également permis d'améliorer la mobilité de cette couche organique.5 L'alignement de nanocharges semi-conductrices parallèlement au canal cle transport de charge peut être réalisé par de multiples techniques lors de son élaboration. Le brevet US 6,536,106 décrit l'alignement au moyen d'un champ électrique de composants nano et micrométriques métalliques dispersés à l'intérieur d'un matériau isolant. Des électrodes d'alignement, sous forme de peignes interdigités, sont réalisées sur un substrat et sont ensuite recouvertes par une couche de nitrure de silicium. Un matériau diélectrique fluide comportant les nanofils métalliques est déposé et soumis à un champ électrique créé entre les électrodes d'alignement. Les nanofils ayant une longueur égale à l'intervalle séparant deux électrodes d'alignement adjacentes, les nanofils s'alignent suivant le sens du champ électrique. Cette technique d'alignement est limitée à des nanofils de grande taille, qui sont de la taille de l'espacement entre les électrodes d'alignement. Objet de l'invention L'invention a pour objet un transistor organique qui présente un canal ayant une mobilité accrue ainsi qu'un procédé de réalisation du transistor facile à mettre en oeuvre. Le transistor selon l'invention est caractérisé en ce que les objets nanométriques, semi-conducteurs ou conducteurs, sont alignés parallèlement à un axe reliant les électrodes de source et de drain dans une matrice organique de type semi-conductrice, chaque objet nanométrique ayant une longueur inférieure à la distance séparant les électrodes de source et de drain.30 Description sommaire des dessins 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 les figures 1 et 2 représentent de manière schématique, en coupe, deux étapes successives de réalisation du transistor selon l'invention. Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention Comme illustré à la figure 1, des électrodes 1 sont formées sur un substrat 2, par exemple un substrat en verre ou en Si ou un substrat souple. Les électrodes 1 sont réalisées de manière classique, par exemple par photolithographie et gravure, par décollement (� lift-off � en anglais) ou par des techniques d'impression. Ces électrodes 1 sont: avantageusement constituées d'une couche d'or, par exemple d'une épaisseur de 60nm, disposée sur une couche d'accroche en titane ayant une épaisseur comprise typiquement entre 3 et 10nm. Dans le mode de réalisation particulier décrit ci-dessous, les électrodes 1 sont utilisées pour former un transistor à effet de champ organique. Elles servent alors d'électrodes de source et de drain. L'espace entre les électrodes est, par exemple, de l'ordre de 10�m. Une matrice organique 3, de type semi-conductrice, est déposée sur le substrat 2, entre les électrodes 1, pour former le canal du transistor. La matrice organique, en contact avec les deux électrodes, permet alors un contact électrique entre ces deux électrodes 1. Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 1, la matrice organique 3 recouvre au moins partiellement les électrodes 1. Avantageusement, la matrice organique 3 est déposée par voie liquide entre les électrodes 1. La matrice organique 3 en matériau semi-conducteur comporte des objets nanométriques 4, en matériau semi-conducteur ou conducteur de forme filaire. Les objets nanométriques 4 ont une mobilité vis-à-vis des porteurs de charge qui est supérieure à la mobilité de la matrice organique 3. Dans la matrice, la proportion en objets nanométriques 4 est, de préférence, comprise entre 0,0001% et 10% en poids. Cette proportion permet à la fois d'améliorer la conductibilité générale de la matrice organique 3 et de garder une viscosité qui permet une orientation aisée des conducteurs ou semi-conducteurs nanométriques 4 sous champ électrique. La matrice organique 3 est, par exemple, une matrice en polyarylamine et peut contenir également un solvant, par exemple du toluène pour moduler ses propriétés rhéologiques. La proportion de solvant est avantageusement choisie de manière à ce que la viscosité de la matrice organique 3 soit compatible avec l'orientation des objets nanométriques 4. D'autres matériaux peuvent être utilisés pour former la matrice organique 3, par exemple, des thiophènes et leurs dérivés, des arylamines et leurs dérivés, des isochroménones et leurs dérivés, des pentacènes et leurs dérivés, des porphyrines ou des phthalocyanines et leurs dérivés. L'épaisseur de la matrice organique 3 lors de son dépôt est choisie de manière à ce que son épaisseur finale, après élimination du solvant, soit inférieure à 1�m, par exemple de l'ordre de 70nm. Les objets nanométriques 4 sont des nanocharges organiques ou inorganiques, par exemple des nanofils ou des nanol:ubes, qui ont une mobilité électrique supérieure à celle de la matrice organique 3. Les objel:s nanométriques 4 ont une longueur inférieure à la distance qui sépare les électrodes 1 et sont inclus dans la matrice organique 3. [)e cette manière, la taille des objets nanométriques est décorrélée de l'espacement entre les électrodes 1. Par ailleurs, la matrice organique semi-conductrice réalise la connexion électrique entre les électrodes 1, les objets nanométriques 4 améliorant la conductivité générale de la matrice 3. Avantageusement, les objets nanométriques 4 ont un diamètre inférieur à 100nm et le rapport de leur longueur sur leur diamètre est supérieur à 10. De façon générale, ils ont avantageusement une longueur inférieure à la demi-distance entre les électrodes. Par ailleurs, les objets nanométriques 4 sont, de préférence, des nanofils en silicium, germanium, du Z'nO (oxyde de zinc) 1 o ou un alliage de ces matériaux ou des nanotubes de carbone. Comme illustré à la figure 2, la matrice organique 3, contenant les conducteurs ou semi-conducteurs nanométrique 4, étant déposée entre les électrodes 1, une tension, continue ou avantageusement alternative, est 15 appliquée entre ces électrodes 1. Si une tension alternative est utilisée, le signal est par exemple carré ou sinusoïdal, dont la fréquence peut être variable. Cette tension se traduit, entre les électrodes 1, par la formation d'un champ électrique E, typiquement de l'ordre de 106V/cm, dans la matrice organique 3. Ceci a pour effet d'orienter les objets nanométriques 4 20 parallèlement au champ électrique, selon un axe reliant les électrodes de source et de drain. A titre d'exemple, si les nanofils contiennent du silicium et si les électrodes 1 sont espacées de 10�m, une tension maximale de l'ordre de 10V est utilisée. 25 Avantageusement, la tension appliquée est sous forme de signaux binaires variant entre +10V et -10V, ayant une fréquence de l'ordre de 100kHz. La matrice organique 3 semi-conductrice contient, de préférence, un solvant. Dans ce cas, le contrôle de l'évaporation de son solvant est effectué 30 parallèlement à l'application du champ électrique. La cinétique d'évaporation du solvant est, par exemple, contrôlée au moyen de la température, de la pression de vapeur saturante du solvant et peut être réalisée dans une enceinte à atmosphère contrôlée. Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 2, le solvant commence à s'évaporer durant l'application du champ électrique l'évaporation du solvant peut être faible durant l'application du champ électrique. Le solvant est ensuite complètement éliminé une fois que les objets nanométriques sont alignés, que le champ électrique soit encore appliqué ou non. Une fois les objets nanométriques 4 alignés parallèlement à un axe reliant les électrodes de source et de drain et le solvant éliminé de la matrice organique 3, la matrice organique 3 semi-conductrice forme le canal du transistor à effet de champ. Ce canal comporte alors des objets nanométriques 4, tous alignés selon le même axe drain/source, qui améliorent sa conductivité électrique. L'électrode de grille est formée ensuite, sur le canal de manière classique. Toutefois, le transistor peut être configuré avec sa grille � en-dessous �, c'est-à-dire dans le substrat. La grille est alors fabriquée préalablement à l'élaboration du canal semi-conducteur.20 Revendications 1. Transistor organique comportant des électrodes (1) de source et de drain et un canal comportant des objets nanométriques (4) de forme filaire, transistor caractérisé en ce que les objets nanométriques (4), semi-conducteurs ou conducteurs, sont alignés parallèlement à un axe reliant les électrodes (1) de source et de drain dans une matrice organique (3) de type semi-conductrice, chaque objet nanométrique (4) ayant une longueur inférieure à la distance séparant les électrodes (1) de source et de drain. 2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur des objets nanométriques est inférieure à la demi-distance entre les électrodes. 3. Transistor selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les objets nanométriques (4) sont des nanofils ou des nanotubes. 4. Transistor selon la revendication 3, caractérisé en ce que les nanofils contiennent du silicium, germanium, ZnO ou un alliage de ces matériaux. 5. Transistor selon la revendication 3, caractérisé en ce que les nanotubes sont en carbone. 6. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé 25 en ce que les objets nanométriques (4) ont un rapport longueur/diamètre supérieur à 10. 7. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les objets nanométriques (4) ont une mobilité de porteurs de 30 charge supérieure à celle de la matrice organique (3). 720 8. Transistor selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les objets nanométriques (4) représentent entre 0,0001% et 10% du poids de la matrice organique contenant les objets nanométriques. 9. Procédé de réalisation d'un transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'alignement des objets nanométriques (4) est réalisé par l'application d'un champ électrique entre les électrodes (1) de source et de drain. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matrice organique (3) contenant un solvant, le solvant est au moins partiellement évaporé pendant l'application du champ électrique. 11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que les objets nanométriques contenant du silicium, le champ électrique maximal est de l'ordre de 106 'V/m et est créé par application d'une tension carrée ayant une fréquence de l'ordre de 100kHz entre les électrodes de source et de drain.20