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Des dispositifs organiques monocristallins à opérations logiques en passe de devenir une réalité

Des chercheurs financés par l’UE ont été les premiers à étudier les semi-conducteurs organiques en couches minces basés sur des monocristaux. Ils se sont principalement concentrés sur les semi-conducteurs organiques qui permettent le transport à la fois d’électrons et de trous. Cela présente un potentiel considérable pour la conception de transistors extrêmement performants qui effectuent des opérations logiques.

Recherche fondamentale

L’électronique organique est susceptible de révolutionner la technologie grâce à sa haute rentabilité, sa polyvalence et sa légèreté par rapport à l’électronique conventionnelle. Fabriquée à partir de matériaux largement disponibles et moins toxiques, l’électronique organique est idéale pour les applications qui exigent à la fois flexibilité et adaptabilité aux grandes surfaces. Les matériaux organiques peuvent être utilisés comme encres conductrices pour l’impression de circuits électroniques à faible coût. Les diodes électroluminescentes organiques, les transistors à effet de champ organiques (OFET) et les photovoltaïques organiques sont les plus belles réussites du domaine à ce jour. Le concept de transport de charge est important pour décrire les principes de fonctionnement et les performances des semi-conducteurs organiques. Les semi-conducteurs sont classés en types p et n, respectivement, selon que la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous positifs ou des électrons négatifs. L’utilisation de semi-conducteurs de type p et n s’avère être une aubaine pour les dispositifs logiques complémentaires intégrés dans les circuits électroniques. Le projet PARADA a démontré avec succès la croissance de bandes monocristallines parallèles de semi-conducteurs de type p et n dans le but de fabriquer des transistors monocristallins capables d’effectuer des opérations logiques. Les dispositifs électroniques comprenant des transistors monocristallins présentent des propriétés particulièrement recherchées: une grande mobilité des porteurs de charge, une faible concentration de défauts et une haute stabilité opérationnelle. Financé par le programme Marie Skłodowska-Curie, le projet a fait preuve d’innovations sur plusieurs fronts.

Croissance cristalline de mélanges de semi-conducteurs

La culture de semi-conducteurs organiques sous forme de monocristaux pouvant transporter soit des électrons soit des trous n’est pas un phénomène nouveau. À titre d’exemple, le procédé de fabrication des OFET nécessite le dépôt et le modelage séparés de deux matériaux semi-conducteurs différents, un pour chaque type de transistor. Le processus exige la sélection des semi-conducteurs les plus appropriés en termes de taille et de forme. En outre, les semi-conducteurs de type n et p doivent présenter des propriétés électroniques comparables. Dans l’ensemble, le processus est fastidieux et s’apparente à un travail artisanal. Les semi-conducteurs présentant un transport de charge ambipolaire pourraient considérablement contribuer à surmonter ces difficultés. Le concept consiste à injecter et à transporter des électrons et des trous dans une unique couche semi-conductrice. PARADA s’est concentré sur le traitement des semi-conducteurs de type p et n au moyen d’une méthode performante de fabrication de couches minces sans solvant. Bien qu’il y ait eu une effervescence d’activités de recherche autour de la cristallisation directionnelle de semi-conducteurs organiques en couches minces se développant à partir d’un bain de fusion, la croissance cristalline de mélanges de semi-conducteurs a été complètement négligée. PARADA a démontré avec succès que la croissance cristalline directionnelle de mélanges de semi-conducteurs peut être étendue aux semi-conducteurs organiques», fait remarquer Guangfeng Liu, le chercheur qui a coordonné PARADA. Le contrôle de la séparation des phases dans le mélange donneur-accepteur des semi-conducteurs organiques et le gradient de température ont eu une incidence notable sur le taux de croissance des cristaux. Les chercheurs ont étudié de manière approfondie les états de fusion et de cristallisation des semi-conducteurs organiques en recourant à la calorimétrie et la cristallographie aux rayons X pour identifier la meilleure combinaison de semi-conducteurs de type p et n. Dans leurs efforts pour obtenir des bandes parallèles de semi-conducteurs de type p et n sur des substrats en verre, ils se sont heurtés à un problème inattendu: la formation de fissures dans les monocristaux. Pour le résoudre, ils ont recouvert des substrats de verre rigides d’une couche diélectrique en caoutchouc souple.

La prochaine génération d’électronique haute performance, flexible et imprimée

La fabrication et la caractérisation des OFET à partir des films cristallins préparés n’ont pas pu être achevées en raison de la pandémie de COVID-19. «Les résultats de PARADA pourraient apporter un nouvel élan au domaine des semi-conducteurs organiques destinés à être utilisés dans des dispositifs effectuant des opérations logiques. Les OFET permettent la fabrication de dispositifs électroniques peu coûteux et flexibles, tels que les écrans plats, les cartes d’identification par radiofréquence et les peaux électroniques. Ces dispositifs ont un besoin urgent de nouveaux circuits logiques complémentaires qui leur permettraient de consommer moins d’énergie», conclut Guangfeng Liu.

Mots‑clés

PARADA, semi-conducteurs organiques, OFET, semi-conducteurs de type n, opérations logiques, monocristal, électronique organique, transistor à effet de champ organique

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