Chapitre I. Les semi-conducteurs organiques

DE REIMS CHAMPAG
Spécialité
MESURE PAR SPECTROSCOPIE D'ADMITTANCE DE JONCTIONS
METAL/OXYDE/SEMI
DE LA
REPONSE DIELECTRIQUE DU PENTACENE
BONNASSIEUX Yvan
HEISER Thomas
LMIMOUNI Kamal
GROUIEZ Bruno
TERNISIEN Marc
GELLE Guillaume
ZANDER Damien
THÈSE
Présentée à
L’U.F.R Sciences Exactes et Naturelles
Pour l’obtention du titre de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ
DE REIMS CHAMPAG
NE-ARDENNE
Spécialité
: Génie électrique, électronique,
photonique et systèmes
École doctorale Sciences, Technologie, Santé
Par
Romuald LEDRU
Sujet de la Thèse
MESURE PAR SPECTROSCOPIE D'ADMITTANCE DE JONCTIONS
METAL/OXYDE/SEMI
-
CONDUCTEUR ORGANIQUE/METAL: ANALYSE
REPONSE DIELECTRIQUE DU PENTACENE
Soutenue le 10 Décembre 2012
Composition du Jury
MCF, Ecole Polytechnique de Palaiseau
PR, université de Strasbourg
PR, université de Lille 1
IGR, université de Reims Champagne Ardenne
MCF, université de Toulouse
PR, université de Reims Champagne Ardenne
MCF, université de Reims Champagne Ardenne
photonique et systèmes
MESURE PAR SPECTROSCOPIE D'ADMITTANCE DE JONCTIONS
CONDUCTEUR ORGANIQUE/METAL: ANALYSE
REPONSE DIELECTRIQUE DU PENTACENE
Rapporteur
Rapporteur
Président
Examinateur
Examinateur
Directeur de Thèse
Co-directeur de Thèse

- i -
Remerciements
Le travail présenté dans cette thèse a été effectué au sein du laboratoire du CRESTIC de
l’Université de Reims Champagne Ardenne. Je tiens donc à remercier la région Champagne Ardenne
pour avoir cofinancé ce travail ainsi que pour son champagne et sa météo !!
Je remercie sincèrement le professeur Lmimouni Kamal pour m’avoir fait l’honneur de présider
mon jury de thèse. Je tiens aussi à remercier Mr Bonnassieux Yvan et Mr Heiser Thomas d’avoir
accepté d’être les rapporteurs de ma thèse et pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail ainsi que pour
leurs corrections pertinentes. Merci également à Mr Ternisien Marc d’avoir accepté de participer à ce
jury.
Mes premières pensées viennent naturellement à mon directeur de thèse Mr Gelle Guillaume et
mon co-directeur Mr Zander Damien de m’avoir accueilli dans leur laboratoire et de leurs
encadrements complémentaires qui me serviront, j’en suis sûr, pour les années à venir. Cet
encadrement est complété par les précieux conseils de l’ingénieur de recherche Mr Grouiez Bruno
avec qui nous avons passé trois ans face à face et qui m’a apporté beaucoup de choses aussi bien sur le
plan professionnel qu’extra-professionnel. Pour finir, je tiens à remercier Mr Pleutin Stéphane pour sa
disponibilité et les renseignements qu’il m’a apporté sur les réponses dipolaires lors des nombreuses
discussions téléphonique.
Je tiens à remercier les membres de l’équipe Nanostructures et Composants Moléculaires de
l’Institut d’Electronique et de Microélectronique et Nanotechnologiques de Lille (Mr Vuillaume
Dominique et Mr Lmimouni Kamal) et tout particulièrement les post-doctorants Mme Bejbouli Habiba
et Mr Parbaile Emilien pour la réalisation des échantillons que nous avons caractérisé.
J’ai eu la chance, durant ma thèse de pouvoir enseigner au département Electronique,
Electrotechnique Automatique de la faculté de Science ainsi qu’à la faculté de Lettres. Je tiens donc à
remercier l’ensemble des enseignants Mr Carton David, Mr Dubois Olivier et Mr Baltazar Didier et
l’ingénieur d’étude Mr Brasseur Nicolas avec qui j’ai eu le plaisir de travailler.
Je n’oublie pas les membres administratifs du laboratoire Mme Lenclume Ida et Mme Vitry
Geraldine pour leur bonne humeur ainsi que Mme Odinot Estelle de l’école doctorale pour son
professionnalisme.
Enfin, je pense très fort à mes parents, ma sœur et mon frère pour leur soutien moral indéfectible
durant ces trois années, ainsi qu’à mes amis rémois (Clement et Stephanie), parisien (Greg et Syndie),
marseillais (Ben, Tim...) et les Chicooo de Belgique.

Remerciements
- ii -
Pour finir, je tiens à remercier ma compagne Aurélie qui a tout quitté sans hésiter pour me suivre
dans cette aventure. On a essayé de profiter au maximum d’être dans le « Nord » même si ça n’a pas
été facile tout les jours. Maintenant on repart à trois et c’est le début d’une nouvelle aventure !

- iii -
Table des matières
REMERCIEMENTS I
TABLE DES MATIERES III
INTRODUCTION 1
CHAPITRE I. LES SEMI-CONDUCTEURS ORGANIQUES 5
I.1 L’électronique organique 5
I.1.1 Les applications.................................................................................................................................. 6
I.1.2 Les verrous technologiques ............................................................................................................. 10
I.2 Rappels des notions d’électroniques des semi-conducteurs dans le cas idéal 11
I.2.1 Les états électroniques dans les semi-conducteurs ........................................................................ 11
I.2.2 Le mécanisme d’injection de charges dans un semi-conducteur idéal ........................................... 13
I.2.3 Le principe physique du transistor .................................................................................................. 15
I.2.4 L’électrostatique d’une structure MOS idéal ................................................................................... 17
I.2.5 Le cas non idéal ................................................................................................................................ 19
I.3 Notions d’électronique des semi-conducteurs organiques 20
I.3.1 Les états électroniques dans les semi-conducteurs organiques ...................................................... 20
I.3.2 Le polaron dans les semi-conducteurs organiques .......................................................................... 24
I.3.3 Les modes de transport ................................................................................................................... 26
I.4 L’électrostatique d’une jonction MOS organique 29
I.4.1 Un seul niveau de piège ................................................................................................................... 30
I.4.2 Une densité de niveaux de piège ..................................................................................................... 31
I.5 Conclusion 32
CHAPITRE II. LA SPECTROSCOPIE D’ADMITTANCE APPLIQUEE AUX STRUCTURES MOS
ORGANIQUES 35
II.1 La spectroscopie d’admittance 35
II.2 Le dispositif de mesure 38
II.3 La spectroscopie d’admittance appliquée aux jonctions MOS 40
II.3.1 La méthode « classique » ............................................................................................................... 41
II.3.2 La méthode classique étendue aux jonctions MOS organiques ..................................................... 43
II.3.3 Les limitations de la méthode étendue aux jonctions MOS organiques ........................................ 46