Paris, le 27 avril 2000

Un chercheur du CNRS, en collaboration avec des chercheurs hollandais , vient de proposer une nouvelle interprétation des propriétés de transport des semi-conducteurs organiques utilisés pour la fabrication de transistors, composants de base de la micro-électronique moderne.
Les semi-conducteurs organiques présentent de nombreux avantages par rapport au silicium et autres semi-conducteurs minéraux employés jusqu'à présent pour la réalisation de ces transistors. Ils devraient permettre, à terme, de nouvelles applications dans le domaine de l'électronique dite " plastique ".
Les résultats de ces travaux font l'objet d'un article publié dans la revue britannique Nature du 27 Avril 2000.

Depuis plusieurs années déjà, différents laboratoires mènent des recherches afin de substituer les semi-conducteurs organiques aux semi-conducteurs minéraux tels que le silicium. Le Laboratoire des matériaux moléculaires du CNRS a été un véritable pionnier dans ce domaine puisqu'il a fabriqué le premier transistor organique en 1987.

A l'inverse des semi-conducteurs minéraux, les semi-conducteurs organiques peuvent être déposés sous forme de films minces selon des techniques peu coûteuses et sur des supports flexibles.
Le développement de transistors organiques, présente un grand intérêt en raison notamment de l'étendue de leurs champs d'application : circuits intégrés, dispositifs pour l'affichage (écrans plats) ou encore en micro-électronique logique.

Le pentacène (5A) et le sexithiophène (6T) sont les deux semi-conducteurs organiques les plus utilisés à ce jour. Il s'agit de deux molécules conjuguées dont le mode d'assemblage dans l'état solide conduit à des matériaux très ordonnés pouvant aller jusqu'au monocristal. Les excellentes propriétés de transport de ces molécules s'expliquent par le haut degré de cristallinité des films minces de ces deux composés semi-conducteurs.

Les six chercheurs français et hollandais, co-signataires de l'article publié dans Nature, décrivent la fabrication de transistors organiques monocristallins à base de 5A et de 6T et proposent une nouvelle interprétation des propriétés de transport sur la base du modèle de blocage de Coulomb. Un film mince polycristallin de 5A ou 6T est déposé sous vide sur un substrat (silicium/oxyde de silicium) sur lequel deux électrodes d'or (source et drain) distantes de 2 à 20 microns ont été préparées au préalable par lithographie.
Dans des conditions de dépôt optimisées, la taille des micro-cristaux constitutifs du film est supérieure à la distance source-drain, ce qui permet de disposer de transistors " monocristallins ".

Ces transistors sont ensuite caractérisés par les techniques usuelles (courbes courant-tension).
Les résultats montrent que dans les monocristaux de 5A et de 6T, le transport des charges est activé thermiquement, l'énergie d'activation dépendant de la nature chimique du composé utilisé (5A ou 6T) et de la densité de porteurs de charges.
On sait par ailleurs que le phénomène de blocage de Coulomb s'observe dans des systèmes pour lesquels deux conditions sont réunies:
1) la résistance tunnel entre sites voisins est grande
2) l'énergie de charge sur un site est plus grande que kT (unité thermique).
On peut considérer qu'un monocristal organique est constitué d'un réseau de sites moléculaires séparés par des résistances tunnel. De plus, en raison de la taille extrêmement réduite des molécules (de l'ordre du nanomètre), les capacitances (grandeur estimée d'une molécule) sont très petites (10-19 Farad) et le transport est déjà dominé par l'énergie de charge à température ambiante.

Les observations expérimentales de transport activé thermiquement peuvent donc s'interpréter avec le modèle de blocage de Coulomb dans un régime orthodoxe pour lequel la résistance tunnel entre les sites est plus grande que la résistance quantique.

L'ensemble de ces résultats de recherche constitue une réelle avancée pour la micro-électronique. En effet, la fabrication de tels transistors dans un avenir proche, permettra des applications nouvelles pour l'électronique nomade ou les supports plats.
Intégrés sur des supports souples, ces transistors organiques donneront peut-être lieu prochainement à des dispositifs qui seront eux-mêmes flexibles tels que des écrans plats ou des badges électroniques.

Références : Coulomb blockade transport in single-crystal organic thin-film transistors, W.A Schoonveld, J.Wildman, D.Fichou, P.A Bobbert, B.J Van Wees et T.M Klapwijk, Nature, 27 avril 2000.

* Denis Fichou

**W.A Schoonveld, J. Wildman, P.A Bobbert, B.J Van Wees et T.M Klapwijk

Contact chercheur : Denis Fichou CNRS - Laboratoire des matériaux moléculaires Tél. : 01 49 78 12 41 Mél : fichou@glvt-cnrs.fr Contact département Sciences chimiques : Laurence Mordenti Tél. : 01 44 96 41 09 Mél : laurence.mordenti@cnrs-dir.fr Contact presse : Carine Noël Tél : 01 44 96 46 06 Mél : carine.noel@cnrs-dir.fr

Monocristal de sexithiophène (6T) ©CNRS - LMM Photo : Denis Fichou