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The objective of this thesis is the modeling of organic transistors based on pentacene and the realization of inverter electric circuits. In this context, we have studied charge transport mechanism in pentacene with two methods (I(V) and impedance spectroscopy) and we have determined the physical properties of pentacene (mobility, trap density, trap energy level…). After that, we have realized an organic field-effect transistor in “top contact” structure while studying the impact of the channel length and thickness of active layer on the performance of this device and while comparing the results with those obtained from the simulation carried out with ATLAS software. We have found a good concordance concerning output and transfer curves. Finally, we have developed organic inverters first in the “diode-load inverter” architecture. The optimization of parameters like the channel length, the thickness of the active layer and the deposition rate of pentacene has led to a significant voltage gain as we work on change in crystalline morphology. With dual threshold voltage OTFT organic inverter in depletion mode have been realize with gain around 7. These results open new perspectives and could be improved by manufacturing inverters in O-CMOS technology.; Les objectifs de ce travail de thèse concernent la modélisation de transistors organiques à base de pentacène et la réalisation de circuits électroniques de type inverseur. Dans ce contexte, nous avons étudié les mécanismes de transport de charges dans le pentacène par deux méthodes (I(V) et spectroscopie d’impédance) et déterminé les propriétés physiques du pentacène (mobilité, densité des pièges, niveau d’énergie des pièges…). Suite à cela, nous avons réalisé un transistor organique à effet de champ ayant une structure top contact en étudiant l’influence de la longueur du canal et de l’épaisseur de la couche active sur les performances de ce dispositif et en comparant les résultats avec ceux issus de la simulation via le logiciel ATLAS. Avec les paramètres extraits de l’étude des mécanismes de transport nous avons trouvé une bonne concordance entre les caractéristiques de sortie et de transfert expérimentales et simulées. Enfin, nous avons élaboré des inverseurs organiques à charge active saturée (diode-load inverter). L’optimisation des paramètres tels que la longueur du canal, l’épaisseur de la couche active et la vitesse de dépôt du pentacène ont conduit à un gain en tension significatif en particulier en jouant sur la structure cristalline du pentacène. Un inverseur à charge à déplétion a été aussi caractérisé, en utilisant des isolants différents pour le transistor de charge et le transistor de commande un gain de 7 à été obtenu. Ces résultats ouvrent des perspectives et pourraient être améliorés en fabriquant des inverseurs en technologie O-CMOS.

These recent years, Organic Field-Effect Transistor (OFET) development has significantly improved it performances and it stability. This was made possible, through a better understanding of the mechanisms governing charge transport in these devices. However, some phenomena remain unclear, in particular, at the interface between the semiconductor and the dielectric. Charge carrier trapping which is one of the main causes of charge transport disturbance in organic transistors, is one of them. So, this work aims to investigate such phenomena in pentacene-based transistors.Polar groups and particularly, hydroxyl groups, located at the insulator-semiconductor interface, are the main sources of charge carriers trapping in OFET. To prevent their presence, an OFET fabrication technology based on a passivating dielectric, poor of hydroxyl groups, calcium fluoride-based interfacial layer has been developed. Effect of this layer on pentacene-based transistors operation has been studied, as well as these devices aging under different storage atmosphere (in vacuum and in air) and under electrical stress.Thus, it has been highlighted that an interfacial layer of calcium fluoride with a too high thickness (around 5 nm) changes pentacene layer morphology which results in a quasi-disappearance of charge transport in pentacene in OFET configuration. Aging studies showed that under the effect of CaF2 interfacial layer, even with a very thin thickness (a few nanometers), a greater quantity of moisture is induced in pentacene layer probably due to the hygroscopic nature of calcium fluoride., Le développement des transistors organiques, ces dernières années, a permis une nette amélioration de leurs performances et de leur stabilité. Ceci a été possible, notamment, grâce à une meilleure compréhension des mécanismes régissant le transport de charges dans ces dispositifs. Cependant, certains phénomènes restent encore à éclaircir, en particulier au niveau de l’interface entre le semi-conducteur et le diélectrique. Le piégeage des porteurs de charges qui est une des principales causes de perturbations du transport de charges dans les transistors organiques, en est un. Cette thèse se propose donc, d’étudier ce phénomène dans des transistors à base de pentacène.Les groupements polaires, et plus particulièrement les groupements hydroxyles, présents à l’interface entre l’isolant et le semi-conducteur, sont les principaux responsables du piégeage des porteurs de charges dans les transistors organiques. Afin de limiter leur présence, une technologie basée sur l’emploi d’une couche interfaciale diélectrique passivante, pauvre en groupements hydroxyles, à base de fluorure de calcium, a été mise en place. L’influence de cette couche sur le comportement de transistors à base de pentacène a été étudiée, de même que le vieillissement de ces dispositifs sous différentes conditions de stockage (sous vide et à l’air) et sous contrainte électrique.Ainsi, il a été mis en évidence qu’une couche de fluorure de calcium d’une épaisseur trop importante (de l’ordre de 5 nm) modifie la morphologie de la couche de pentacène, ce qui se traduit par une quasi-disparition du transport de charges dans le pentacène en configuration de transistor à effet de champ. Les études de vieillissement ont montré que sous l’effet de la couche interfaciale de CaF2, même d’une très fine épaisseur (de quelques nanomètres), une quantité plus importante d’humidité est présente dans la couche de pentacène, probablement à cause de la nature hygroscopique du fluorure de calcium.

Printing potential is undeniable as an alternative to microelectronics conventional processes for low-cost electronics device manufacturing in high volume on all kind of substrates. Within this framework, the objective was the study and implementation of the emerging inkjet-printed electronics. From a technological point of view, the first challenge consisted of an inkjet printing platform development with the required specifications for Organic Thin-Film Transistor (OTFT) manufacturing. The technology succeeded in printing OTFTs on different substrates from unflexible one, silicon wafer, to reach a printed flexible transistor on a plastic substrate. A complete inkjet printing parametric study allowed critical parameter identification to achieve a competitive, reliable and reproducible printing process for OTFT direct-writing. Such an innovative technological development needed to go further in some essential points like material selection and characterization, as well as OTFT electrical characterization and performance enhancement. A special effort was dedicated to novel conductive and semiconductive material-based ink development to reach improved electrical properties. The approach enabled to progress in the technological step definition, development and validation for printed electronic function manufacturing on flexible substrate. In fact, we developed a simple transistor technology adapted to high-volume printing of transistors optimized in terms of electrical performances on all kind of substrates. This work demonstrated in particular that the contact resistance reduction is fundamental and a specific attention is required for source and drain electrode selection. Indeed, low-resistive electrodes (17μΩ.cm) printed from silver nanoparticle-based ink do not inevitably confer good performances to the transistor. However, a conducting polymer, Pedot/Pss, a thousand times more resistive, leads to the lowest contact resistances in contact with PQT-12, most competitive -conjugated polymer of this study, due to its higher work function. Furthermore, the results indicated that the contact resistances depending on interface nature, too, and not only on respective material energy levels before contact, according to Mott-Schottky model. By using a multiple-layer substrate with an ultra-thin oxide (4 nm), the flexible printed transistors had low-operating voltages (|V

Printing potential is undeniable as an alternative to microelectronics conventional processes for low-cost electronics device manufacturing in high volume on all kind of substrates. Within this framework, the objective was the study and implementation of the emerging inkjet-printed electronics. From a technological point of view, the first challenge consisted of an inkjet printing platform development with the required specifications for Organic Thin-Film Transistor (OTFT) manufacturing. The technology succeeded in printing OTFTs on different substrates from unflexible one, silicon wafer, to reach a printed flexible transistor on a plastic substrate. A complete inkjet printing parametric study allowed critical parameter identification to achieve a competitive, reliable and reproducible printing process for OTFT direct-writing. Such an innovative technological development needed to go further in some essential points like material selection and characterization, as well as OTFT electrical characterization and performance enhancement. A special effort was dedicated to novel conductive and semiconductive material-based ink development to reach improved electrical properties. The approach enabled to progress in the technological step definition, development and validation for printed electronic function manufacturing on flexible substrate. In fact, we developed a simple transistor technology adapted to high-volume printing of transistors optimized in terms of electrical performances on all kind of substrates. This work demonstrated in particular that the contact resistance reduction is fundamental and a specific attention is required for source and drain electrode selection. Indeed, low-resistive electrodes (17μΩ.cm) printed from silver nanoparticle-based ink do not inevitably confer good performances to the transistor. However, a conducting polymer, Pedot/Pss, a thousand times more resistive, leads to the lowest contact resistances in contact with PQT-12, most competitive -conjugated polymer of this study, due to its higher work function. Furthermore, the results indicated that the contact resistances depending on interface nature, too, and not only on respective material energy levels before contact, according to Mott-Schottky model. By using a multiple-layer substrate with an ultra-thin oxide (4 nm), the flexible printed transistors had low-operating voltages (|V, Le potentiel de l'impression, en tant qu'alternative aux techniques classiques de la microélectronique, est indéniable pour la réalisation de dispositifs électroniques à bas coût sur de grandes surfaces et tous types de substrats. Dans cette optique, l'objectif était d'étudier et d'implémenter la technologie émergente qu'est l'électronique imprimée par jet de matière. Au niveau technologique, le premier challenge a consisté à développer une plateforme d'impression par jet de matière avec les spécifications requises pour la réalisation de transistors organiques. La technologie a été validée par la réalisation de transistors imprimés sur différents supports en partant d'un support rigide, wafer de silicium, pour aboutir à un transistor souple imprimé sur un substrat polymère. Une étude paramétrique complète relative à l'impression par jet a permis de définir les paramètres critiques pour parvenir à un procédé d'impression performant, fiable et reproductible pour l'écriture directe de transistors. Un développement technologique de cette nature, totalement innovante, méritait d'approfondir d'autres éléments essentiels tels que le choix, et la caractérisation physico-chimique des matériaux associés, ainsi que la caractérisation électrique et l'optimisation des performances des transistors. Un effort majeur a été dédié au développement d'encres à base de nouveaux matériaux (conducteurs et semi-conducteurs) avec des propriétés améliorées (résistivité, mobilité, stabilité,...). La démarche mise en œuvre a permis de progresser dans la définition, le développement et la validation de briques technologiques de base pour la réalisation de fonctions électroniques imprimées sur support souple. De fait, nous avons mis au point une technologie transistor simple, adaptée à la fabrication de masse, aux grandes surfaces et à tous types de substrat, y compris souples, pour la réalisation de transistors optimisés en termes de performances électriques. Ce travail montre, en particulier, que la réduction des résistances de contact est primordiale et qu'une attention toute particulière est requise pour le choix des électrodes source et drain. En effet, des électrodes très peu résistives (17μΩ.cm), imprimées à partir d'une encre à base de nanoparticules d'argent, ne confèrent pas inévitablement de bonnes performances aux transistors. A contrario, un polymère conducteur, le Pedot/Pss, mille fois plus résistif, conduit aux résistances de contact les plus faibles lors d'une prise de contact sur le PQT-12, polymère -conjugué le plus performant de l'étude, en raison de son travail de sortie plus élevé. De plus, les résultats obtenus montrent que les résistances de contact dépendent également de la nature de l'interface, et non pas seulement des niveaux d'énergie respectifs des matériaux avant contact, conformément au modèle de Mott-Schottky. De par le choix d'un substrat souple multicouche avec un oxyde de grille ultrafin (4nm), les transistors flexibles imprimés fonctionnent à basses tensions (|V