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La fabrication de transistors au moyen d’encres à base de nanocristaux - Par : Luis Felipe Gerlein Reyes,

La fabrication de transistors au moyen d’encres à base de nanocristaux


Luis Felipe Gerlein Reyes
Luis Felipe Gerlein Reyes Profil de l'auteur(e)
Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.
Programme : Génie électrique 

Le procédé classique de fabrication d’un transistor à effet de champ (TEC) débute par une tranche unique de cristal semi-conducteur qui doit ensuite passer par plusieurs étapes, dont le nettoyage, l’introduction de dopants, la photolithographie, la gravure et des traitements thermiques à température élevée.

transistor3

Figure 1 : Schéma d’un transistor à effet de champ à canal N classique. L’oxyde est une couche isolante qui permet de réguler la conductivité du canal (en bleu) entre la source et le drain (en rouge) par l’application d’une tension à la grille.

Ces étapes sont aujourd’hui bien connues et les coûts de fabrication ne représentent qu’une fraction de ce qu’ils étaient il y a 50 ans, malgré l’augmentation de la valeur de l’équipement nécessaire. L’évolution naturelle de l’électronique laisse croire qu’elle ne sera plus cantonnée à quelques appareils, mais qu’elle prendra de plus en plus de place dans nos vies. Bon nombre de ses applications potentielles, toutefois, dépendent du développement de l’électronique imprimable sur des substrats souples qu’il est possible d’ajouter à des vêtements et à des surfaces inégales.

Cette tendance a favorisé l’éclosion d’un type d’électronique sans silicium, surtout l’électronique organique et l’électronique colloïdale. Cette dernière, en particulier, vise à l’utilisation de semiconducteurs nanométriques, lesquels sont mis en suspension dans une solution afin de fabriquer des appareils sans l’équipement coûteux et les installations de traitement nécessaires à l’électronique classique.

Il existe, de fait, une grande quantité de matériaux colloïdaux qui possèdent les caractéristiques des conducteurs, des semiconducteurs et des isolants. Une équipe de chercheurs a présenté une nouvelle approche concernant la fabrication d’un transistor à effet de champ entièrement fait de nanocristaux colloïdaux, grâce à trois techniques simples et abordables : le dépôt par centrifugation, l’enrobage par immersion et la photolithographie. Cette équipe est sous la direction de Cherie Kagan, Ph. D. et de Ji-Hyuk Choi, Ph. D., un ancien étudiant du groupe de recherche de madame Kagan et chercheur principal à l’Institut coréen des sciences de la Terre et des ressources minérales.

processus fabrication transistor

Figure 2 : Schéma du processus de fabrication du transistor à effet de champ fait entièrement de nanocristaux.

L’équipe de chercheurs a construit un transistor à effet de champ au moyen d’un ensemble de matériaux colloïdaux dont chacun a une fonction précise dans le dispositif. D’abord, des nanocristaux d’argent (Ag) dispersés dans de l’octane forment la borne de la grille du transistor. Puis, des nanocristaux d’oxyde d’aluminium (Al2O3) en suspension dans de l’eau servent de couche isolante. Le canal, ensuite, est fait de nanoparticules de séléniure de cadmium (CdSe) en suspension dans de l’octane. Enfin, les bornes de la source et du drain sont constituées d’un mélange de nanocristaux d’indium et d’argent (In/Ag) dispersés dans de l’octane.

Chacune des couches est déposée l’une sur l’autre par centrifugation. Ces couches, toutefois, doivent d’abord recevoir un traitement chimique afin qu’elles ne soient pas modifiées par le dépôt de la couche suivante. Pour ce faire, on leur applique le produit chimique approprié par immersion ou par centrifugation. En outre, grâce à une étape de chauffe douce, est déclenché le transfert des nanocristaux d’indium vers la couche de séléniure de cadmium, ce qui dope cette dernière et modifie ses propriétés conductrices. Les structures des bornes de la grille, du drain et de la source, quant à elles, ont été faites par photolithographie. La figure 2 illustre le processus de fabrication.

Il est possible de considérer tous les matériaux utilisés par ce processus de fabrication comme une encre, c’est-à-dire un solide en suspension dans un liquide. À titre de comparaison, l’encre d’une imprimante n’est jamais rien d’autre que de fines particules de pigment dispersées dans un solvant. Il s’agit ici de la première approche qui réussit à regrouper plusieurs encres à base de nanocristaux pour en faire un dispositif fonctionnel. « C’est la première étude qui montre que tous les éléments des transistors, les couches métallique, isolante et semiconductrice, et même le dopage du semiconducteur, peuvent être faits de nanocristaux », a déclaré monsieur Choi.

encres nanocristaux

Figure 3 : Encres à base de nanocristaux utilisées pour la fabrication du transistor à effet de champ.

Ainsi se rapproche la possibilité d’obtenir de bons résultats en électronique imprimable sur des matériaux souples, applicable dans plusieurs domaines : la détection, les appareils médicaux portables, l’énergie solaire et l’Internet des objets. Il est possible d’optimiser ce genre de fabrication additive pour l’intégrer à des procédés d’impression par aérosol, à jet d’encre ou d’impression 3D. Ces techniques sont abordables et facilement adaptables à la production industrielle d’électronique imprimée.

L’étude est accessible ici.

[accordion title= »BRÈVE EXPLICATION CONCERNANT LES TECHNIQUES DE FABRICATION » close= »1″]

Le dépôt par centrifugation : Les encres à base de nanocristaux sont déposées sur un substrat en rotation afin qu’elles soient dispersées de manière uniforme sur la zone voulue. Plus la centrifugation est rapide ou longue, plus la couche déposée est mince. Les dépôts se font à une vitesse allant de 2000 à 4000 rotations par minute, ce qui peut toutefois varier en fonction des caractéristiques de la solution.

L’enrobage par immersion : Le substrat est immergé dans la solution désirée. La vitesse à laquelle on retire le substrat définit l’épaisseur de la couche déposée. Plus le retrait est rapide (mm/s), plus la couche est épaisse. Cela dépend surtout de la tension superficielle et de la viscosité de la solution.

La photolithographie : Cette technique utilise un matériau photosensible (couche photosensible ou réserve) qui sera déposé sur un substrat, le plus souvent par centrifugation. La réserve est ensuite séchée au moyen de lumière ultraviolette, de chaleur ou des deux. Le processus de séchage à lumière ultraviolette inclut un masque grâce auquel seules certaines zones du substrat sont exposées à la lumière. Ces zones resteront ou s’effaceront (en fonction du type de réserve) en laissant un motif formé de réserve séchée semblable à celui du masque. Le substrat exposé et les zones couvertes de la réserve seront ensuite tous les deux recouverts par la couche de matériau désiré. Lors du retrait de la réserve séchée, le matériau déposé sur cette dernière s’enlèvera, tout en laissant un motif imprimé sur la zone exposée du substrat. Cette technique est aussi employée, parmi plusieurs autres applications, pour graver sur des semiconducteurs des motifs précis.

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Luis Felipe Gerlein Reyes

Profil de l'auteur(e)

Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.

Programme : Génie électrique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides 

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