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TFT : record de fréquence pour des transistors à couches minces

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Des chercheurs de l'Université de Winsconsin-Maddison ont battu le record du monde de fréquence de fonctionnement pour des transistors à couches minces (Thin Film Transistors ou TFT en anglais).

TFT sur un support en plastique Crédits : Université de Winsconsin-Maddison

Professeur assistant en ingénierie électrique et informatique, Zhenqiang (Jack) Ma et son étudiant de thèse, Hao-Chih Yuan, ont obtenu récemment un TFT flexible avec une cadence de fonctionnement de 7,8 GHz ! Les TFT sont des transistors largement répandus en électronique pour les affichages LCD. Ainsi, pour les écrans à cristaux liquides, les TFT contrôlent la qualité des images pixel par pixel. Des TFT fabriqués avec des matériaux flexibles pourraient avoir des applications étendues selon Ma, comme des capteurs ou des systèmes électroniques flexibles incorporables dans des vêtements.

Jusqu'à maintenant, les TFT étaient relativement lents, 'seulement' 0,5 GHz environ. C'est parfait pour les affichages à cristaux liquides mais pas pour des antennes de surveillance militaire qui requièrent des circuits à hautes fréquences, mais flexibles, pour assurer un stockage facile. « Les applications des TFT à basse vitesse sont en fait assez limitées, des TFT rapides offrent des avantages significatifs en terme de puissance consommée, de cadence de fonctionnement et de résistance à la rupture sous l'effet de contraintes » explique Ma.

Les TFT flexibles sont habituellement faits en matériaux organiques, amorphes ou encore à base de silicium polycristallin. Ici par contre, il s'agit d'une fine membrane de taille nanométrique obtenue à partir d'un seul cristal de silicium, ce qui assure une plus grande mobilité et une plus grande vitesse de transport pour les électrons. La membrane peut être décollée du bloc de silicium grâce à une technique ingénieuse en cours d'être brevetée.

La mobilité n'est pas le seul facteur important pour l'obtention de grandes vitesses de fonctionnement pour des TFT, il y a aussi le problème des contacts des électrodes à basse résistance. En effet, la haute température, nécessaire pour activer la connexion des électrodes de contact, fond le substrat en polymère sur lequel le transistor est fabriqué !

D'après Ma, « C'est le problème majeur pour l'obtention d'une cadence de fonctionnement à grande vitesse pour les TFT, indépendamment du fait qu'une grande mobilité des électrons avaient déjà été démontrée pour un seul cristal de silicium sur un substrat flexible ». Heureusement Yuan et Ma ont surmonté cet obstacle avec une nouvelle technique. Ils ont fabriqué le transistor en deux étapes, l'une dite "chaude" et l'autre "froide". Un article décrivant tous les détails de cette technique se trouve dans une publication récente de Applied Physics Letters.

Un autre facteur responsable de la vitesse du nouveau TFT est l'utilisation d'une porte en monoxyde de silicium à la place de dioxyde, ce qui permet des calculs à plus basse température. « En outre, le monoxyde de silicium a une plus grande capacité électrique et peut être produit en couches plus minces, ce qui accroît encore la vitesse du système » affirme Yuan.

Toujours selon Ma, la prochaine étape consistera à développer des matériaux et des technologies de calcul pour des TFT encore plus rapides. Il espère même obtenir directement des applications, «Nous avons ouvert la voie vers de nombreuses possibilités avec cette percée ». On peut penser, par exemple, à des écrans sur de simples feuilles de plastique ou sur des vêtements comme dans le film Planète rouge.

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