Soutenance mémoire
L’électronique est devenue maintenant un facteur incontournable de la vie moderne. Presque aucun acte humain actuel ne se fait sans l’aide de l’électronique que l’on soit chez soi, au travail, au volant de sa voiture et partout ailleurs. Les dispositifs de cette électronique utilisent dans leur très grande majorité du silicium comme matériau actif. Le silicium, matériau semi-conducteur, réunit l’ensemble des critères permettant à des dispositifs électroniques aussi nombreux à fonctionner sur notre terre telle qu’elle est. Il est largement disponible partout sur terre (28% de la croûte terrestre). Il n’est constitué que du seul élément silicium permettant une technologie simplifiée ne dépendant que des propriétés chimiques de ce seul élément. La largeur de sa bande interdite permet aux dispositifs électroniques de bien bloquer le passage du courant ou de laisser un courant suffisant passer suivant les conditions de polarisation aux températures habituelles sur terre.
Electronique fabriquée sur un substrat
La non-transparence des plaquettes de silicium monocristallin constitue un problème si la transparence est nécessaire. Le problème a commencé à se poser à la fin des années 1970 lorsque le besoin de développer largement l’affichage de données et d’images et donc des écrans permettant cet affichage. L’affichage n’est possible que s’il est possible de commander différemment des petites zones voisines sur la surface de l’écran leur donnant différents tons de gris allant du noir au blanc ou différentes couleurs. Ces petites zones, appelées pixels, doivent être suffisamment petites pour que l’écran apparaisse comme uniforme à l’œil. De la lumière de différents tons ou de couleurs doit sortir de ces pixels. Ils doivent donc être transparents. Un écran d’affichage est donc un substrat transparent sur lequel on vient déposer des pixels petits commandés électriquement. Le problème de l’électronique a donc consisté à mettre des dispositifs de commande sur des substrats transparents.
Electronique pour pixels d’écrans plats
Un écran plat pour l’affichage est constitué d’une matrice de pixels reproduisant une image. Chaque pixel est une source de lumière constituant un des points de l’image. Il doit être polarisé pour obtenir la lumière correspondante à ce point de l’image. La méthode de polarisation dépend du type de production de cette lumière. Les écrans plats LCD à matrice active ou AMLCD (Active Matrix Liquid Crystal Display) dominent le marché actuel des écrans. Cependant, il est apparu les écrans OLED à matrice active ou AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode) .
Les OLEDs, sont actuellement un domaine de recherche en très grande expansion et qui devrait permettre le développement d’une nouvelle génération d’écrans plat. La technologie des OLEDs basée sur le substrat de plastique est développée activement pour concurrencer la technologie AMLCD dans les applications partant des petits écrans aux grands [3]. Aujourd’hui, les AMOLEDs sont déjà commercialisés par plusieurs compagnies. Ils sont utilisés principalement dans les petits appareils souples (les téléphones portables, les appareils photos, les baladeurs, les portes photos). T. Tsujimura et al. [4] ont démontré la faisabilité en ce qui concerne le succès dans la fabrication de grands écrans OLED (sur substrat verre) comprenant des tailles supérieures à 20″. A une échelle bien moins grande, les OLEDs s’appliquent aussi pour l’avionique [5].
Dans la suite, la définition et le principe de fonctionnement de ces deux types d’écrans seront présentés et le rôle essentiel que jouent les transistors en couches minces dans le bon fonctionnement de ces écrans sera précisé.
Ecran plat LCD à matrice active (AMLCD)
Un écran plat à matrice active est constitué d’un cristal liquide inséré entre deux plaques de verre . La plaque supérieure, est recouverte d’une couche uniforme de matériau conducteur transparent servant de contre électrode. L’autre plaque comporte un réseau déposé de lignes et de colonnes. A l’intersection de chaque ligne et de chaque colonne est situé un transistor en couches minces dont le rôle est :
– dans la phase d’adressage (mode de conduction du transistor), de charger un condensateur élémentaire ayant pour diélectrique le cristal liquide.
– dans la phase de stockage (mode bloquant du transistor), de maintenir la charge de ce condensateur.
une borne de ce condensateur est formée d’un carré de conducteur transparent relié au transistor, l’autre borne est la contre électrode. Un élément d’image, ou pixel, est défini par cette capacité de cristal liquide et de son transistor associé.
Pour afficher une image, un écran plat LCD utilise des cristaux liquides qui soumis à un courant électrique laissent passer ou pas la lumière. Celle-ci passe à travers 3 matrices à cristaux liquides, devant chacune d’elles se trouve un filtre de couleur: un rouge, un vert et un bleu [7]. En fonction du signal envoyé, les cristaux liquides vont plus ou moins laisser passer la lumière, celle-ci est alors concentrée sur un prisme central qui diffusera un seul faisceau lumineux et formera ainsi une image. Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d’un liquide conventionnel et celles d’un solide cristallisé. Ces propriétés permettent à certains cristaux liquides de modifier la polarisation de la lumière. Leurs molécules mésomorphes, de forme allongée, peuvent se déplacer parallèlement les unes par rapport aux autres. Déposées sur une plaque gravée en sillons, les molécules vont s’aligner dans les sillons.
Le principe des écrans LCD consiste alors à placer des cristaux liquides entre deux polariseurs croisés dont la direction de polarisation est orientées à 90° l’une par rapport à l’autre. Les molécules, au repos, vont passer progressivement d’une orientation à l’autre [8]. L’écran est ensuite éclairé par une lumière extérieure qui est polarisée par un filtre suivant la direction parallèle aux sillons de la première plaque. Sa polarisation est guidée par les molécules et après une rotation de 90°, elle passe par un deuxième filtre polarisant . Ce dernier fonctionne comme un grillage dense et mince qui force la lumière à ne suivre qu’un seul chemin, celui parallèle aux fentes du filtre polarisant.
Sous l’effet d’une tension de commande, les molécules vont progressivement s’orienter dans le sens du champ électrique et la lumière sera bloquée par le deuxième polariseur .
L’application d’une tension sur une ligne fait que tous les transistors, dont les grilles sont reliées à cette ligne, deviennent passants, et la tension présente sur une colonne est transférée à l’élément d’image situé à l’intersection de cette ligne et de la colonne. A l’inverse, les autres lignes n’étant pas excitées, les transistors, qui sont dans leur état bloquant, permettent de conserver aux bornes de l’élément image l’information précédemment inscrite. Ici réside tout l’intérêt de l’incorporation de transistors à la matrice active du fait qu’ils fournissent à la fois l’activation ou la désactivation recherchée et l’effet de mémoire.
L’écran plat à matrice active LCD comprendra autant de transistors que de points d’images. De nos jours, les transistors en couches minces de commande utilisés dans les écrans plats LCD sont principalement fabriqués à partir du silicium amorphe déposé par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) à une température d’environ 250°C. Cependant, ils présentent deux inconvénients : une très faible mobilité et une dérive de la tension de seuil lors de son fonctionnement. Ce dernier est corrigé par les constructeurs en intégrant des circuits de compensation.
Ecran plat OLED à matrice active (AMOLED)
Les écrans plats OLED à matrice active sont des écrans qui associent une technique matrice active et une technologie OLED. Cette technologie s’annonce prometteuse compte tenu de son excellent angle de vue, sa forte résolution, sa faible consommation électrique et son temps de réponse rapide [11, 12]. Elle est devenue aujourd’hui le centre d’intérêt de nombreuses sociétés. Une cellule OLED (cf figure I.5) est composée d’une pile de couches organiques fines prises entre une anode transparente et une cathode métallique. Les couches organiques comprennent une couche d’injection, une couche de transport de trous, une ou plusieurs couches émettrices et une couche de transport d’électrons. L’application d’un courant précis à la cellule OLED engendre une recombinaison des charges positives et négatives dans les couches émettrices afin de produire une lumière électroluminescente. La structure des couches organiques, le choix de l’anode et de la cathode sont conçus pour maximiser le processus de recombinaison dans les couches émettrices, ce qui optimise l’émission de lumière à partir de l’appareil OLED [13].
Les matériaux utilisés dans la conception de ces diodes offrent à la technologie OLED des avantages intéressants par rapport à celle des cristaux liquides. En effet, la propriété électroluminescente de l’OLED ne nécessite pas l’introduction d’un rétro éclairage ce qui confère à l’écran des niveaux de gris plus profond et une épaisseur moindre. La flexibilité de ces matériaux offre aussi la possibilité de réaliser un écran souple et ainsi de l’intégrer sur des supports très variés comme les plastiques . L’utilisation de ces substrats plastiques est intéressante, car il permet l’affichage léger et incassable .
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Etat de l’art et problématique
I.1 Introduction
I.2 Electronique fabriquée sur un substrat
I.2.1 Electronique pour pixels d’écrans plats
I.2.1.1 Ecran plat LCD à matrice active (AMLCD)
I.2.1.2 Ecran plat OLED à matrice active (AMOLED)
I.2.2 Electronique sur un substrat pour d’autres applications
I.3 Transistors en couches minces
I.3.1 Structure des TFTs
I.3.1.1 TFT à grille en dessous (Bottom-Gate)
I.3.1.2 TFT à grille au dessus (Top-Gate)
I.4 Principe de fonctionnement des TFTs
I.4.1 Etat bloquant
I.4.2 Etat passant
I.4.2.1 Régime saturé
I.4.3 Caractérisation des TFTs
I.4.3.1 Caractéristiques de transfert
I.4.3.2 Caractéristiques de sortie
I.4.3.3 Tension de seuil
I.4.3.4 Mobilité d’effet de champ
I.4.3.5 Pente sous le seuil
I.4.3.6 Rapport ION /IOFF
I.5 Matériau utilisé dans la fabrication des dispositifs électroniques d’adressage des pixels d’écrans plats
I.5.1 Le silicium amorphe
I.5.2 Le silicium polycristallin
I.5.2.1 Les grains
I.5.2.2 Les joints de grains
I.5.3 Le silicium microcristallin
I.5.3.1 Dépôt du silicium microcristallin par PECVD
I.5.3.2 Plasma de dépôt du silicium microcristallin par PECVD
I.5.3.3 Structure et processus de croissance du silicium microcristallin
I.6 Effet de l’épaisseur de la couche active sur les paramètres électrique des transistors
I.7 Conclusion
Références I
Chapitre II : Effet de la diminution de l’épaisseur de la couche active des TFTs à base de silicium microcristallin : étude expérimentale
II.1 Introduction
II.2 Structure et procédé de fabrication des transistors
II.2.1 Dépôt des couches
II.2.2 Masque 1 : Définition de la couche active
II.2.3 Masque 2 : Isolation des transistors
II.2.4 Masque 3 : Ouverture des contacts drain et source dans l’isolant de grille
II.2.5 Masque 4 : Métallisation des contacts source, drain et grille
II.3 Caractéristiques des TFTs utilisant une épaisseur habituelle de 100 nm comme couche active
II.3.1 Paramètres électriques
II.3.1.1 Paramètres électriques à température ambiante
II.3.1.2 Dépendance en température des paramètres électriques
II.3.2 Stabilité des TFTs
II.3.3 Conclusion sur les TFTs utilisant une épaisseur habituelle de 100 nm comme couche active
II.4 Effet de la variation de l’épaisseur de la couche active
II.4.1Caractéristiques de transfert de TFTs utilisant des épaisseurs différentes de couche active
II.4.2 Stabilité électrique des TFTs utilisant des épaisseurs différentes de couche active
II.4.3 Conclusion sur la comparaison expérimentale des TFTs utilisant des épaisseurs différentes de couche active
II.5 Conclusion
Références II
Chapitre III : Simulation électrique des transistors en couches minces sous SILVACO
III-1 Introduction
III-2 Matériel et méthodes
III-2.1 Outils de Simulation utilisés
III-2.1.1 Le logiciel de simulation technologique ATHENA
III-2.1.2 Le Logiciel de modélisation électrique ATLAS
III-2.2 Méthodes
III-2.2.1 Elaboration de la structure des TFTs à simuler
III-2.2.2 Modèle physique utilisé sous ATLAS pour la simulation des propriétés électriques des TFTS
1. L’équation de Poisson
2. Les équations de continuité des porteurs
3. Les équations de transport
Modèle de transport de dérive-Diffusion
III-2.2.3 Modèle physique du matériau silicium microcristallin utilisé pour la simulation des propriétés électriques des TFTs
III-3 Simulation électrique des transistors en couches minces en utilisant l’outil ATLAS à partir de SILVACO
III-3.1 Caractéristiques des TFTs
III-3.2 Effet de la variation de l’épaisseur de la couche active
III-3.2.1 Effet de la variation de l’épaisseur de la couche active des TFTs en l’absence de défauts électriques (silicium monocristallin)
III-3.2.2 Effet de la variation de l’épaisseur de la couche active des TFTs contenant des défauts dans leur couche active en silicium
III-3.2.2.1 Effet sur le courant inverse
III-3.2.2.2 Effet sur la pente sous le seuil
III-3.3 Effet des interfaces isolant de grille-couche active (interface avant) et couche active-substrat (interface arrière)
III-3.3.1 Effet de la variation de la densité des états profonds à l’interface arrière (couche active – substrat)
III-3.3.2 Effet de la variation de la densité des états profonds à l’interface avant (couche active – isolant de grille)
III-4. Conclusion
Références III
Conclusion générale
