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.

Un monocristal est un solide dans lequel les arrangements d’atome sont répétés dans l’espace avec une périodicité parfaite. La plupart des corps solides sont polycristallins, c’est-à-dire constitués de petits monocristaux dont les orientations mutuelles sont aléatoires. Par des techniques de croissance à partir du matériau fondu, on arrive à obtenir des monocristaux de taille appréciable, comme par exemple, ceux de silicium pour l’industrie électronique.

 

La mobilité des porteurs de charge est utilisée en physique pour caractériser la conduction du courant électrique par un milieu. Elle est égale au quotient de la vitesse moyenne d’un porteur de charge électrique par le champ électrique qui lui est appliqué. La conductivité électrique du milieu lui est proportionnelle.


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.

La cristallisation par antisolvant, très utilisée dans l’industrie chimique et pharmaceutique, est un procédé où l’on ajoute à un mélange de solvant et de soluté (on nomme ainsi le corps qui se dissout dans le solvant) un liquide dit antisolvant qui se mélange au solvant mais dans lequel le soluté ne se dissout pas. Ceci réduit la solubilité du soluté et entraîne sa sursaturation dans le solvant. Ce qui entraîne la cristallisation du soluté.

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.

Dans un transistor à effet de champ, une tension appliquée à la grille crée un champ électrique dans le matériau, contrôlant ainsi le courant entre les électrodes de source et de drain, ce qui permet d’obtenir une amplification ou une commutation. Cf l’article : La molybdénite supplantera-t-elle le silicium dans les circuits intégrés de demain ?

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.

En savoir plus

  • Nature DOI:10.1038/nature10313