Couches minces pour la microélectronique organique (A. Pereira, S. Guy)
Le procédé dénommé LIFT (Laser-Induced Forward Transfer) permet de transférer, à partir d’un substrat donneur, des pixels de dimensions micrométriques (3 à quelques centaines de microns) de matériaux organiques et inorganiques en phase liquide ou solide. Le LIFT consiste à décoller sélectivement une couche mince (voire plusieurs couches à la fois) de matériau et à la (les) déposer sur un autre substrat, placé à proximité, en une seule opération sous l’effet d’un rayonnement laser, et ce, sans qu’il y ait perte de leurs propriétés. Cette technique implique que le matériau à transférer soit préalablement préparé en couches minces sur un substrat donneur transparent. Par ailleurs de précédentes études ont montré que l'insertion d'une couche sacrificielle sur ce donneur, permet d'absorber le rayonnement incident et de protéger le matériau à transférer lors de l’irradiation. On peut ainsi envisager de déposer des matériaux particulièrement fragiles ou même transparents au rayonnement utilisé.
Ce procédé photonique a été utilisé avec succès dans plusieurs laboratoires pour le transfert de bio-matériaux, de protéines et de cellules sur divers substrats et la réalisation de dispositifs tels que les diodes électroluminescentes organiques (OLED), des micro-batteries et des capteurs. Des transistors organiques à film minces (OTFTs) ont également été imprimés à l'aide du procédé LIFT. Toutefois les performances des OTFTs obtenus sont restées de un à deux ordres de grandeurs inférieures aux performances d’OTFTs similaires réalisés par évaporation sous vide. L'analyse des causes de ces performances réduites a mis en évidence un défaut de qualité des interfaces, notamment les interfaces diélectrique/semiconducteur. Il est donc apparu primordiale d’optimiser la réalisation des substrats donneurs, en préparant notamment des films multicouches pour lesquels les interfaces critiques seraient toutes formées sous vide.
L’équipe « Films Minces » de l’ILM est associée au LP3, au CINAM et à l’ISM dans le cadre du projet ANR-blanc ILTO (Impression Laser de Transistors Organiques), dont l’objectif principal est l’impression de transistors organiques/inorganiques de type n et de type p ayant des performances compatibles avec les applications de la microélectronique organique. Ce projet associe quatre partenaires aux compétences complémentaires : l’ILM pour la réalisation par PLD des substrats donneurs de films minces de matériaux organiques et/ou inorganiques en monocouche ou multicouche ; le LP3 pour l’impression des OTFTs par le procédé LIFT ; l’ISM pour la caractérisation structurelle et physico-chimique des films minces organiques et des transistors imprimés ; le CINAM pour la caractérisation électrique des transistors imprimés.
Schéma de principe pour l’élaboration de transistor organiques sous forme de couche mince: a) Substrat « donneur »: film mince multicouches élaboré par ablation laser pulsée (PLD), b) transfert de la structure multicouche par procédé LIFT c) transistor organique imprimé sur substrat « reveceur »
L'idée est donc dans un premier temps d'optimiser la préparation des substrats donneurs en élaborant les interfaces critiques sous vide dans des conditions parfaitement contrôlées. Pour ce faire, nous utilisons une technique de fabrication de couches minces assistée par laser: la PLD (Pulsed Laser Deposition). Bien que majoritairement utilisé pour déposer des matériaux inorganiques, diverses études portant sur des matériaux organiques comme le PMMA, le pentacène ou des phtalocyanines ont montré qu’un contrôle précis des conditions de dépôts permet la réalisation par PLD de films minces organiques sans degradation thermique et/ou photochimique (voir par exemple les films chiroptiques obtenus à partir de molécules de binaphtole). Un des systèmes de dépôt PLD de l’équipe « Films Minces » permet de déposer ces systèmes multicouches sans remise à l’air, limitant ainsi la dégradation aux interfaces responsable d’une diminution des performances électriques. Une expérience d’ellipsométrie in-situ nous permet de contrôler l’épaisseur des différentes couches lors des dépôts. Enfin, diverse techniques de caractérisation telles que l’absorption UV-visible, la microscopie à force atomique, la spectroscopie Raman, la réflectométrie X et la diffraction des rayons X sont utilisées pour caractériser les couches déposées et optimiser les propriétés de chaque couche.