Study of charge injection mechanisms in organic field effect transistors using Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)

Cette thèse porte sur l’étude de transistors organiques en couches minces (OTFT) par la méthode de microscopie à sonde de Kelvin (KPFM), en particulier sur l’études des contacts, et sur le développement de la méthode KPFM. Plusieurs semiconducteurs ont été étudiés sur des structures de transistors planaires ou empilées. Les principaux résultats ont été obtenus sur les technologies à base de DNTT.Une comparaison entre la méthode usuelle de caractérisation des résistances de contacts, la méthode des lignes de transmission (TLM), et la méthode KPFM, a été réalisée. La méthode TLM permet une analyse rapide des contacts ohmiques mais nécessite plusieurs composants et une technologie très homogène. La méthode KPFM permet d’étudier séparément les contacts source (R_S) et drain (R_D) sur un transistor unique et de manière locale, y compris pour des contacts non ohmiques. Différentes technologies de transistors ont été ainsi étudiés.La technique KPFM permet d’extraire la tension de seuil locale, interprétée comme le seuil d’apparition des charges fixes et mobiles dans le canal. Extraite à partir de la mesure du courant (I-V), la tension de seuil usuelle est déduite des charges mobiles uniquement. Ces deux mesures ne coïncident pas en général et cela permet de mettre en évidence l’effet de l’accumulation de charges à mobilité réduite ou nulle. De plus, grâce à notre méthode KPFM qui mesure les variations de phase du cantilever, on peut imager la profondeur des charges dans le canal du transistor, pour différents régimes de fonctionnement. On peut ainsi confirmer les résultats de simulation.Un protocole a été développé pour quantifier la résolution latérale de la méthode KPFM mise en œuvre dans cette thèse. Un échantillon a été pensé et réalisé avec des électrodes d’or polarisables, espacées d’une distance de l’ordre de grandeur de l’apex de la sonde KPFM. La marche de potentiel abrupte mesurée en KPFM est reproduite par simulation. On obtient alors la résolution de la sonde, puis on peut quantifier le champ électrique d’injection au niveau des contacts des OTFT.This study is about organic thin film transistors (OTFTs) characterized by Kelvin probe force microscopy (KPFM) and about the development of this technic. Several semiconductors have been used, in both top and bottom contact structures, but the main results have been obtained with DNTT technologies.A comparison between the usual contact resistance characterization, the transmission line method (TLM), and the KPFM method has been performed. The first one allows a fast and global characterization of the OTFTs and the second one allows the study of both contacts, source and drain, separately but also the study of non-Ohmic contacts. Several OTFT technologies have been studied.The KPFM measurement provides the threshold voltage from charges present in the channel. This usual current-voltage measurement provides the threshold voltage from the mobile charges. This difference makes an ambiguous comparison of these two methods, but it highlights the KPFM method on the study of charges position in the channel. Thanks to the parabolic lock-in of our KPFM method, we recover data on the distance between the KPFM probe and the charges. The analysis of these data allows to study the position of the charges inside the vertical structure of OTFTs for different operating regimes.A protocol has been developed to quantify the resolution of the KPFM measurement. A sample with gold electrodes on which we can apply different voltages, spaced by the order of magnitude of the KPFM probe apex, has been fabricated. The steep potential step obtained by KPFM measurement is reproduced by simulation. This gives the resolution of the probe, which is used to quantify the injection field at the OTFT contacts