Un pas vers l’obtention de circuits intégrés par impression à jet  d’encre

La physique du solide et toutes les applications qui en ont découlé en microélectronique utilisent presque constamment des monocristaux.

En effet, leur exceptionnelle pureté et leurs propriétés intrinsèques se sont avérées capitales pour la réalisation de dispositifs performants que ce soit à partir de matériaux minéraux ou plus récemment de matériaux organiques. En particulier, la mobilité des porteurs de charge qui mesure la capacité de ceux-ci à être mis en mouvement par un champ électrique dépend énormément du caractère monocristallin du matériau.

Microphotographie des monocristaux du composé organique appelé C8-BTBT « imprimés » sur une plaque de silicium recouverte de silice. Sept des 140 microcristaux de la plaque sont agrandis sur l’image de gauche. Crédit Nature.

Quand l’impression à jet d’encre fabrique des monocristaux

On cherche évidemment à réaliser des dispositifs électroniques par des techniques simples et peu coûteuses. On sait maintenant imprimer des structures à deux dimensions sur de grandes surfaces et des supports flexibles en utilisant des encres spéciales contenant des matériaux semi-conducteurs en solution ou en dispersion. Mais obtenir des films minces quasi monocristallins est difficile par les procédés habituels d’impression car les matériaux déposés ont une forte tendance à s’organiser par eux-mêmes de façon polycristalline.

Tatsuo Hasegawa et ses collaborateurs du National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) à Tsukuba(Japon) ont eu l’idée de combiner l’impression par jet avec la cristallisation par antisolvant.

C’est en utilisant une imprimante à double jet, qu’on peut actionner séquentiellement que les chercheurs ont obtenu la cristallisation par antisolvant du semi-conducteur organique C8-BBT.
Les gouttelettes ont un volume de 60 picolitres (1 picolitre = 10^-12 litre, soit un millionième de millionième de litre) et sont émises à une fréquence de 500 Hz.

La figure ci-dessous schématise le procédé utilisé.

Schéma du procédé. L’encre antisolvant (A) est imprimée en premier (étape 1) par jet d’encre, puis l’encre soluté + solvant (B) est projetée. Ceci forme des gouttelettes de mélange confinées dans une aire prédéfinie (étape 2). Le film mince de semi-conducteur organique croît à l’interface air-liquide de la gouttelette (étape 3), avant que le solvant ne s’évapore complètement(étape 4).Crédit Nature.

Le solvant s’évapore très lentement, 10 à 50 fois plus lentement que s’il était seul, sans soluté. On obtient finalement des films d’une épaisseur de 30 à 200 nm adhérant fortement au substrat.

On peut voir le détail d’une de ces cristallisations dans la vidéo ci-après (Crédit Nature):

Les monocristaux en matériau organique permettent de fabriquer des transistors, éléments constitutifs de base des circuits intégrés
Grâce à la bonne qualité de ces films monocristallins qui ont une mobilité importante, on a pu fabriquer des transistors à effet de champ.
Ils sont obtenus par évaporation, d’électrodes d’or d’une épaisseur de 30 nanomètres pour les sources, les drains et les grilles, et de parylène pour la couche isolante entre le semi-conducteur et la grille. Schéma ci-dessous.

Transistor à effet de champ utilisant le film monocristallin avec des évaporations d’or de 30nm d’épaisseur qui constituent les électrodes de source, de drain et de grille, celle-ci étant isolée du film par une couche de Parylene. Crédit Nature.

L’équipe a maintenant pour but de perfectionner les techniques permettant d’obtenir les dispositifs électroniques. Il semble assez aisé en particulier d’améliorer les contacts des sources et des drains. Et l’on prévoit de remplacer les évaporations d’or par l’impression de métaux conducteurs. On pourra alors enfin arriver à la production de dispositifs électroniques entièrement obtenus par des techniques d’imprimerie.

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• Nature DOI:10.1038/nature10313