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CCoommiittéé NNaattiioonnaall FFrraannççaaiiss ddee RRaaddiiooéélleeccttrriicciittéé SScciieennttiiffiiqquuee SSeeccttiioonn ffrraannççaaiissee ddee ll’’
UUnniioonn RRaaddiioo SScciieennttiiffiiqquuee IInntteerrnnaattiioonnaallee Siège social : Académie des Sciences, Quai de Conti – Paris
Journées scientifiques du CNFRSJournées scientifiques du CNFRS
" Nanosciences et radioélectricité"" Nanosciences et radioélectricité"
Paris, les 20 et 21 mars 2007Paris, les 20 et 21 mars 2007
Contribution des faisceaux d’ions à l’élaboration de dispositifs pour l’électronique souple
Rémi Antony, Bruno Lucas, André Moliton, Bernard Ratier
XLIM, UMR 6172, Département MINACOM123 Avenue Albert Thomas
87060 LIMOGES
Plan de l’exposé
-Interaction ion-matière
-L’utilisation des faisceaux d’ions sur les dispositifs organiques
-Élaboration d’ITO par pulvérisation ionique-sur verre et sur substrats plastiques-application à la réalisation de dispositifs sur substrats souples
OLEDs, OTFTs
-Densification des cathodes par dépôts assistés par faisceaux d’ions- cathodes en argent- cathodes en aluminium: premiers résultats
Électronique organique souple
La production d’énergiedispositifs nomadesdomotique
Composants de base:cellules photovoltaïques
L’affichage, les écransdispositifs ergonomiques automobile, avioniqueaffichage grande surface
Composants de base:diodes électroluminescentestransistors
(Universal
Display Corporation)
Konarka
Interaction ion-matière- cible (continuum d’électron; répartition discrète d’atomes)- énergie des ions cédée à la cible: continûment aux électrons
collisions binaires avec les atomes-dE/dx
E ions
-dE/dx électron
-dE/dx nucléaire
dE/dx
Profondeur de la cible
dE/dx électron
dE/dx nucléaire
Atomes déplacés+ densification+atomes implantés (dopage)
Zone de défauts (ruptures de liaisons)
Implantation : 5 keV<E< 30 keV
Pulvérisation: E ~ keV
Profondeur de la cible
dE/dx
EsurfEn>Esurf
pulvérisation
Amorphisationdensification
Dépôt assisté par faisceau d’ions
Profondeur de la cible
Amorphisationdensification
Application à l’optoélectronique organique souple
substrate
couche active
cathode
Dispositif Technologies
Dépôts assistés par faisceaux d’ions
Implantation ioniqueDépôts assistés par faisceaux d’ions
Pulvérisation par faisceaux d’ions
Anode OTC
AbsorptionOPVs
EmissionOLEDs
substrate
couche active
cathode
Dispositif Technologies
Dépôts assistés par faisceaux d’ions
Implantation ioniqueDépôts assistés par faisceaux d’ions
Pulvérisation par faisceaux d’ions
Anode OTC
AbsorptionOPVs
AbsorptionOPVs
EmissionOLEDs
EmissionOLEDs
- diodes électroluminescentes (OLEDs)- cellules photovoltaïques (OPVs)
Dépôt de l’ITO par pulvérisation ionique-faible résistance de contact (20 /), �-forte transmission optique (90 %)-compatible avec les substrats souples (procédé basse température)
Dépôt assisté par faisceau d’ions (Ar+) de la cathode (Ag ou Al)-densifier pour limiter la diffusion de l’oxygène et de l’eau-augmentation de la durée de vie des dispositifs
ITO obtenu par pulvérisation ionique
Propriétés recherchées
-Transmittance T90% (400nm-800nm)
-Résistance carrée Rc20Ω/ �-Dépôts à température <150°C
-Roughness <2nm
Conditions expérimentales dans le cas de substrats de verre
-Cible (In2O3 90 to 95% - SnO2 10 to 5%)
-Ar+ ions, E = 6keV et j = 1mA/cm²
-Vitesse de dépôts : 1nm/mn
-Pression : 2.10-6 mbar to 6.10-5 mbar
-Flux d’oxygène: 1 cm3/mn
-Température de substrat: 130° C
Paramètres à optimiser:
-Energie des ions
-Densité de courrant
-Type d’ions
-Flux d’oxygène
-Température de substrats
Source d’ions
Substrat
Cible ITO
Pompe turbomoléculaire
Flux O2
Transmittance ~ 90 %
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300 400 500 600 700 800 900
Wavelength (nm)
Tran
smita
nce
%
Epaisseur du film : 300nm
Epaisseur du film : 200nm
Epaisseur du film : 100nm
Film Thickness: 300 nm
Film Thickness: 200 nm
Film Thickness: 100 nm
Effet de l’épaisseur d’ITO sur la résistance carrée:
Rc décroît quand e augmente, à e = 300 nm, Rc = 30 / , T = 90%
60
70
80
90
100
0 20 40 60 80 100 120
300nm200nm
100nm
Transmitance
Rc (Ohm/square)
Thickness: 300nm Roughness: 1,5nm
Rugosité moyenne (mesures par AFM) R 1 nm
Roughness: 0,9nm
Thickness: 100nm Roughness: 1,4nm
Thickness: 200nm
ITO sur substrat de verre
Cellules photovoltaïques
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
-0.2 0 0.2 0.4 0.6
bias voltage (Volt)
curre
nt de
nsity
(mA/
cm²)
ITO MerkITO IBS (100 nm)ITO IBS (200 nm)ITO IBS (300 nm)
Cellules solaires avec le couple donneur-accepteur CuPc-C60:ITO/100nm PEDOT-PSS/CuPc (30 nm) / C60 (50 nm) / Al
Meilleurs résultats avec une épaisseur d’ITO de 100 nmPossibilité de rupture du report de contact de la cathode pour des épaisseurs supérieures
ITO Merk (100 nm) ITO IBS (100 nm)
Jcc 3,12 mA/cm² 4,5 mA/cm²
e 0,473 % 0,694 %
Al
Substrat verre
ITO
PEDOT-PSS
CuPc/C60
cathode anode
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
-0.2 0 0.2 0.4 0.6
bias voltage (Volt)
curre
nt d
ensit
y (m
A/cm
²)
100 nm80 nm60 nm50 nm20 nmsans PEDOT
La meilleure rugosité de l’ITO permet une diminution de l’épaisseur de PEDOT-PSS et une optimisation des épaisseurs de couches dans la cellule, avec augmentation du rendement de conversion en énergie d’un facteur 2
PEDOT thickness 100 nm 30 nm 20 nm no PEDOT
Vco 0,46 V 0,5 V 0,5 V 0,48 V
Jcc (mA/cm²) 4,5 6,12 5,85 5,64
e (%) 0,694 1.29 1,28 0,9
FF 0,284 0,358 0,37 0,28
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100PEDOT-PSS thickness (nm)
IPC
E (
%)
EQEmax C60
EQEmax CuPc
Cellules photovoltaïques
PEDOT-PSS
ITO
OLEDs sur substrats souples (PET)
Mêmes conditions expérimentales pour l’ITO mais:
substrats laissé à température ambiante nettoyage ITO: Ethanol+ultrason (Ws passe de 4,4 eV à 4,6 eV)
PET/ ITO 200 nm/ TPD/ Alq3/ Cathode : L 5000 Cd/m² pour une cathode Al L 25000 Cd/m² pour une cathode Ca+Al.
(seulement 400 cd/m² nécessaire pour un écran)
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 5 10 15 20 25 30
Tension(V)
cathode Alcathode ca/Al
Transistors sur substrat souple (PET)
50µm
PET (50 µm)
ITO(150nm)
PMMA(1m)
Pentacene(50nm)Au(50nm) Au(50nm)
0.0E+0
5.0E-7
1.0E-6
1.5E-6
2.0E-6
2.5E-6
0 10 20 30 40VDS (Volt)
I D (
A)
Vgs = 0 VVgs = -10 VVgs = -20 VVgs = -30 VVgs = -40 VVgs = -50 V
OFET: fonctionnement en régime d’accumulation pentacene: semiconducteur de type p Polarisation de grille négativeFormation du canal à l’interface pentacene/PMMA
Transistors sur substrat souple (PET)
22 gs
WCsat iI V VTds L
~2.10-2cmV-1s-1
VTh=14V
Ion/Ioff =105
Sur verre
~8.10-3cmV-1s-1
VTh=15V
Ion/Ioff ~105
Sur substrat plastique
Caractéristiques à peu près équivalentes sur verre et sur plastique
0.0E+0
8.0E-5
1.6E-4
2.4E-4
3.2E-4
4.0E-4
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
VerrePlastique
(-I d
s)1/
2 (A
)1/2
-Vgs (V)
Vds=-30V
0.0E+0
8.0E-5
1.6E-4
2.4E-4
3.2E-4
4.0E-4
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
VerrePlastique
(-I d
s)1/
2 (A
)1/2
-Vgs (V)
Vds=-30V
Densification des cathodes par IBAD
Substrat
Croissance du film durant l’assistance
Dépôt du film par PVD
Ions incidents de très basse énergie: E < 1 keV; en général E 100 eV
L’énergie transférée des ions aux atomes aide à la diffusion latérale et à la nucléation
Effet sur le dépôt
-effet mécanique: compactage du dépôt et adhérance améliorée
-Propriétés électriques : diminution de la rugosité
injection/extraction des charges améliorée à l’interface.
Problème des dispositifs organiques:Dégradation au contact de l’oxygène et de l’humiditéLa cathode recouvre le composants il faut la densifier pour encapsuler le composant
Ag sans IBAD ; Ima 2D, scan 2 µm, R = 1,06 nm
Ag sans IBAD ; Ima 3D, scan 2 µm, R = 1,06 nm
images AFM :
Sans assistance
Domaines poreux avec possibilité de diffusion de l’oxygène et de l’air
Ag avec IBAD ; Ima 2D; scan 2 µm, E = 250 eV, j= 4 µA/cm², R = 1,49 nm
Ag avec IBAD ; Ima 3D, scan 2 µm, E = 250 eV, j= 4 µA/cm², R = 1,49 nm
Avec assistance
Augmentation de la taille des grains
Diminution des porosités
diffusion de H2O/O2 limitée
pénétration des ions argons dans la pénétration des ions argons dans la couche organiquecouche organique
pénétration des atomes de recul de la pénétration des atomes de recul de la couche d’aluminium en croissancecouche d’aluminium en croissance
Al recoil atoms
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0 20 40 60 80 100depth (angstrum)
50 ev
100 ev
150 ev
200 ev
300 ev
11AlAl Alq3Alq3
Ato
me\
An
gst
rom
\ion
argon ion depth profil
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
0 20 40 60 80 100
depth(angstrum)
100 ev
200 ev
300 ev33
AlAl Alq3Alq3
ion
\An
gst
rom
\ion
Une couche tampon non assistée est nécessaire pour préserver l’interface cathode/couche organique
Simulation à l’interface cathode/couche organique
Ag
tampon
ITO
Glass
Alq3
BCP
Alq3
-NPB
Pedot-PSS O O
S n
O O
S n
Al N
ON
O
ON
Al N
ON
O
ON
N N
Durée de vie des OLEDs
structure de l’ OLED :
1- PEDOT-PSS 80 nm 2 - -NPB, transporteur de trous 40 nm3 - Alq3) 60 nm, transporteur d’électron et émetteur vert4 – cathode d’argent 100 nmSéparée en 2 zones assistées ou non par faisceau d’ions
Après test électrique:rampe de tension (0-30 V)
non assistée assistée
assistée
Test de la durée de vie des OLEDs
Test à intensité constanteOLED polarisée afin d’obtenir une luminance de 100 Cd/m²L’intensité est maintenue constante
Le vieillissement se traduit par l’apparition de « points noirs » (oxydation du calciumdiminution de la surface électrode/couche
active augmentation de la tension pour avoir une intensité constanteclaquage de l’OLED)
Durée de vie des OLEDs (mesures à l’air libre)
ITO
TPD
Alq3
Ca
Ag
Cathode en argent
ITO
TPD
Alq3
Al
Cathode en aluminium moindre coût/Ag application envisagée sur OPVsPb: tensions seuils + importantes (12 V au lieu de 6 V)
Nette amélioration de la durée de vie à l’air libre
ITO/TPD(40nm)/ALQ3(60nm)/Ca/Ag
1
10
100
1000
00:00 12:00 00:00 12:00Temps (Heures)
Lum
inance (
cd/m
²)
Vierge50 eV 100 eV150 eV175 eV
ITO/TPD(20nm)/ALQ3(60nm)/Al
1
10
100
1000
0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00
19:12:00
24:00:00
28:48:00
33:36:00Temps (heures)
Lu
min
an
ce (
cd/m
²)
Vierge 100 eV
150 eV 200 eV
300 ev 500 eV
Meilleurs résultats Ions Ar+ 150 eVDurée de vie
72h à l’air libre
Meilleurs résultats Ions Ar+ 300 eVDurée de vie
35h à l’air libre
Conclusions:
ITO par pulvérisation ioniquetransparence, résistance et rugosité contrôléesur verre: amélioration des cellules solaires (e passe de 0.5% à 1.3 %)sur plastiques: OLEDs à 25000 Cd/m²
OFETs avec des caractéristiques comparables au substrat verre
Cathode Ion Beam Assisted Deposition:morphologie: augmentation de la taille des grains, porosité diminuéetest électrique: meilleure résistancenette amélioration de la durée de vie des OLEDs à l’air libre
Merci de votre attention
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