Les transistors bipolaires deviennent organiques

Des chercheurs allemands ont créé le tout premier transistor bipolaire fabriqué à partir d'un semi-conducteur organique. Le nouveau transistor offre des performances exceptionnelles, une architecture verticale et une amplification différentielle élevée, et pourrait trouver des applications dans l'électronique à couches minces et flexibles hautes performances où les données doivent être analysées et transmises à grande vitesse.

Les transistors sont utilisés dans l'électronique moderne comme commutateurs pour contrôler le flux de porteurs de charge - électrons ou trous - à travers un circuit. Les transistors bipolaires sont spéciaux car ils utilisent à la fois des électrons et des trous, et cette capacité supplémentaire signifie qu'ils sont bien adaptés aux applications à haute vitesse et à haute puissance. Les construire à partir de semi-conducteurs organiques, plutôt qu'inorganiques, pourrait donner aux concepteurs d'électronique la possibilité de rendre ces dispositifs à haute vitesse et haute puissance flexibles et transparents.

Une équipe dirigée par Karl Léo of TU Dresden a maintenant fait un pas vers cet objectif en construisant un transistor à jonction bipolaire organique à partir de couches minces (cristallines) hautement ordonnées d'un semi-conducteur organique appelé rubrène. Ce matériau a une mobilité de charge élevée, ce qui signifie que les porteurs de charge le traversent extrêmement rapidement et sur de longues distances.

Couche par couche

Les transistors à jonction bipolaire sont constitués de trois bornes séparées par des matériaux semi-conducteurs de type p ou n. Dans les dispositifs, ces semi-conducteurs sont agencés en alternance, dans une configuration pnp ou npn.

Le groupe de Leo avait précédemment fabriqué des films de rubrène de type p et n, mais dans les derniers travaux, ils ont franchi une étape supplémentaire en concevant ces films sur une très fine couche de rubrène cristallin d'environ 20 nm d'épaisseur. Les films agissent alors comme germe pour les couches p et n suivantes ainsi que pour les couches de type i - c'est-à-dire qu'elles ne sont ni n ni p et ne portent donc ni porteurs de charge négatifs ni positifs. "Alors que de tels films avaient déjà été réalisés, nous sommes les premiers à les doper électriquement et à réaliser des empilements d'appareils complexes", explique Leo.

Caractérisation de l'appareil

Les chercheurs estiment que la fréquence de transition de leur nouvel appareil – essentiellement, une mesure de sa vitesse – est de 1.6 GHz. C'est beaucoup plus élevé que le record des transistors à effet de champ organiques (OFET), qui est de 40 MHz pour un appareil à configuration verticale et de 160 Hz pour un appareil à configuration horizontale. Cependant, Leo note que la vitesse de l'appareil par tension est une mesure plus pertinente de ses performances. "Ici, le nouveau dispositif avec environ 400 MHz/V est presque cent fois plus rapide que les transistors organiques précédents", dit-il.

De plus, raconte Leo Monde de la physique que les nouveaux transistors de l'équipe peuvent être utilisés pour déterminer un paramètre de dispositif important pour les matériaux organiques : la longueur de diffusion des porteurs minoritaires. Ce paramètre, qui est essentiel pour optimiser l'efficacité du dispositif, est la distance que le porteur minoritaire (électrons dans les semi-conducteurs de type p ; trous dans les semi-conducteurs de type n) peut parcourir avant de se recombiner avec un porteur de charge opposée. Dans le silicium, cette quantité peut atteindre plusieurs microns de long. On s'attendait à ce que la valeur des matières organiques soit beaucoup plus petite, mais dans cette classe de matériaux, elle était fondamentalement inconnue, dit Leo.

Dans les couches hautement ordonnées utilisées dans ce travail, l'équipe de TU Dresden a déterminé que la longueur de diffusion des porteurs minoritaires était de 50 nm, suffisamment longue pour que les transistors fonctionnent bien. Cependant, Leo souligne que d'autres études sont encore nécessaires pour déterminer quels paramètres du matériau contrôlent cette quantité et comment elle peut être optimisée.

Selon les chercheurs, le nouveau transistor pourrait être utilisé dans des applications telles que le traitement du signal et la transmission sans fil dans lesquelles les données doivent être analysées et transmises à grande vitesse. Ils travaillent maintenant à réduire le courant de fuite dans l'appareil, ce qui leur permettrait de mesurer directement sa vitesse de fonctionnement. "Nous souhaitons également généraliser l'application de la technique des couches hautement ordonnées à d'autres appareils", révèle Leo.

L'équipe décrit le travail dans Nature.