Electrolyte Gated Metal Oxide Transistors

L'invention du transistor a significativement affectée le progrès technique et scientifique de notre société. Depuis plus de 50 ans, les transistors sont utilisés comme composants actifs dans les circuits électroniques, pour réaliser des amplificateurs ou des interrupteurs par exemple. La plus fascinante des directions futures pour le développement des transistors consiste en leur utilisation dans des dispositifs électroniques flexibles, légers et biocompatibles. Les oxydes métalliques semi-conducteurs ont été intensivement étudiés au cours des dernières décennies pour des applications dans les transistors, du fait de la grande mobilité de leurs porteurs de charges (∼1– 100 cm2V-1s-1), de leur importante transparence optique, de leur stabilité chimique ainsi que de leur faible coût de fabrication. Les oxydes métalliques sont divisés entre les oxydes de transition et ceux post-transition, dépendamment des métaux, qui possèdent différentes configurations électroniques et donc différentes conductivités. Dans cette thèse, nous allons nous concentrer sur les deux principaux représentants des oxydes métalliques de transition et post-transition, i.e., le TiO2 et le SnO2, utilisés comme matériaux de canal dans des transistors utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille. Le TiO2 et le SnO2 sont abondants et biointégrables, possèdent une large bande interdite (3-4 eV), et peuvent être utilisés comme canal de transistor pour de nombreuses applications différentes. Remplacer le diélectrique conventionnel dans les transistors à couche minces par un électrolyte donne l'opportunité de décroître le voltage auquel le transistor est opéré du fait de la haute capacitance de la double couche électrique (autour de 10 μF/cm2) qui se forme à l'interface entre l'électrolyte et le semi-conducteur. Cette capacitance élevée permet l'accumulation d'une importante densité de porteurs de charges dans le canal et rend donc possible la transition entre un état isolant et un état semi-conducteur voire métallique. Les transistors utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille (EGTs) peuvent être employés comme éléments de matrice active pour les écrans à faible puissance ou encore intégrés dans des textiles ou d'autres matériaux flexibles. Les EGTs peuvent aussi être utilisés dans d'autres applications prometteuses que sont telles les capteurs chimiques ou biologiques, du fait de leur haute sensibilité aux ions et de leur compatibilité avec les électrolytes aqueux. Le coeur de cette thèse est dévoué à une meilleure compréhension des mécanismes d'opération d'une importante classe de transistors à couche minces, i.e. les transistors à oxydes métalliques v utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille, afin d'optimiser leurs performances et de développer des agencements géométriques pour permettre d'obtenir des transistors à haute performance. Les EGTs consistent en un canal en oxyde métallique et en une électrode de grille en contact avec un électrolyte. L'application d'un voltage à la grille entraîne la formation d'une double couche électrique au niveau de l'interface entre le canal et l'électrolyte, qui permet de moduler la densité des porteurs de charges dans le canal. Les mécanismes de dopage et la modulation de la densité des porteurs de charges dans les EGTs ont été étudiés par caractérisation électrique des transistors, par voltammétrie cyclique (CV) ainsi que par spectroscopie d'impédance électrochimique. Des transistors SnO2 et TiO2 utilisant des liquides ioniques à la grille ont été fabriqués sur des substrats en silicone. Une méthode de gravure non conventionnelle utilisant le parylène a été utilisée pour étudier le rôle joué par l'extension des interfaces électrolyte/semi-conducteur et électrode/semi-conducteur sur le dopage ainsi que sur les processus de transport des porteurs de charges. Le chevauchement entre les électrodes métalliques et le semi-conducteur, qui est en contact avec l'électrolyte, affecte le processus d'injection des charges. La gravure a entraîné l'augmentation de la densité des porteurs de charges d'un à deux ordres de magnitude dans les deux oxydes métalliques. De plus, les EGTs à SnO2 ont été fabriqués sur des substrats flexibles en polyimide. Les transistors EGTs à SnO2 flexibles possèdent de bonnes propriétés électriques lorsqu'ils sont pliés selon différents rayons de courbure et ils pourraient posséder un fort potentiel pour des applications dans le domaine de l'électronique flexible. Les effets de la structure et de la morphologie des semi-conducteurs sur les performances des transistors ont été étudiés. Dans ce but, des films de TiO2 poreux à très forte densité ont été fabriqués par traitement à partir d'une solution ainsi que par évaporation par faisceau d'électrons. Les EGTs à TiO2 faits par évaporation possédaient un courant plus élevé ainsi qu'un ratio on/off plus haut du fait d'une meilleure qualité de la structure. Les effets des gros cations [EMIM] et des petits cations Li+ sur les mécanismes de dopage ont été étudiés en utilisant deux électrolytes [EMIM][TFSI] et [EMIM][TFSI] mélangé avec un sel de lithium. Les relativement gros cations [EMIM] ne peuvent pas pénétrer à l'intérieur du maillage cristallin du TiO2. L'intercalation de petits cations comme le Li+ a été rendue possible à la fois dans les films denses et dans les films mésoporeux de TiO2 par réduction de la vitesse de balayage dans les mesures courant/voltage. vi Les mécanismes de transport des charges des transistors utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille ont été étudiés et une corrélation entre la capacitance de la double couche, la densité des porteurs de charges, la mobilité des électrons, la tension seuil et le ratio on/off a été démontrée. Nous pensons que nos transistors à oxydes métalliques utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille sont prometteurs pour de l'électronique flexible, produite sur de grandes surfaces et à faible coût.

Abstract

The invention of the transistor has significantly affected the technological and scientific progress of our society. For over 50 years, transistors have been used as the active components, such as amplifiers or switches, in electronic circuits. The most fascinating future direction for transistor development is towards flexible, lightweight and biocompatible electronics. Metal oxide semiconductors have been intensively investigated over the past decades for transistor applications, due to their high charge carrier mobility (∼1– 100 cm2V-1s-1), high optical transparency, chemical stability and low-manufacturing cost. Metal oxides are divided into transition and post transition oxides, depending on the metals, which possess different electron configurations and, accordingly, different conductivity. In this Thesis we focus on two main representatives of transition and post transition metal oxides, i.e., TiO2 and SnO2, as the channel materials in electrolyte gated transistors. TiO2 and SnO2 are abundant and bio friendly, with high band gap (3-4 eV) and can be utilized as transistor channel for many different applications. Replacing the conventional dielectric in thin film transistors with electrolyte gives the opportunity to decrease the transistor operating voltage due to the high capacitance of the electrical double layer (around 10 μF/cm2) that form at the electrolyte/semiconductor interface. This high capacitance allows accumulation of high charge carrier density in the channel thus making possible a transition from an insulating state to semiconducting or metallic one. Electrolyte gated transistors (EGTs) can be utilized as backplanes for low powered displays and integrated into textiles or flexible materials. Other exciting applications of EGTs are chemical sensors or biosensors, due to the high sensitivity to ions and compatibility with aqueous electrolytes. The core of this thesis is devoted to a better understanding of the operational mechanisms of an important class of thin film transistors, i.e. electrolyte gated metal oxide transistors, to optimize their performance and to develop the appropriate device geometry for high performance transistors. EGTs consist of metal oxide channel and a gate electrode in contact with an electrolyte. The application of a gate electrical bias leads to the formation of an electrical double layer at the channel/electrolyte interface, which permits to modulate the charge carrier density in viii the channel. The doping mechanisms and the charge carrier density modulation in EGTs were investigated by transistor electrical characterization, cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy. Ionic liquid gated SnO2 and TiO2 transistors were fabricated on silicon substrates. Parylene patterning was utilized to investigate the role played by the extension of the electrolyte/semiconductor and electrode/semiconductor interfaces on the doping and charge carrier transport processes. The overlap between the metal electrodes and the semiconductor, which is in contact with the electrolyte, affects the charge injection process. By patterning the charge carrier density was increased on one or two order of magnitude in both metal oxide materials. Moreover, SnO2 EGTs were fabricated on flexible polyimide substrate. EGT SnO2 flexible transistors possessed good electrical properties under bending at different radius and could have high potential in flexible electronics. The effect of structure and morphology of semiconductors on transistor performance was demonstrated. For this purpose, porous and highly dense films of TiO2 were fabricated by solution processing and by electron beam evaporation. Evaporated TiO2 EGT showed higher current and higher on/off ratio due to better structural quality. The effect of big [EMIM] and small Li+ cation on doping mechanisms was investigated by using two electrolytes [EMIM][TFSI] and [EMIM][TFSI] mixed with a lithium salt. The relatively large [EMIM] cation cannot enter the crystal lattice of TiO2. The intercalation of small cation such as Li+ was possible both in mesoporous and dense TiO2 films by decreasing the sweeping rate in current / voltage measurements. The charge transport mechanism of electrolyte gated transistors was investigated and a correlation between capacitance of the double layer, charge carrier density, electron mobility, threshold voltage and on/off ratio was demonstrated. We believe that our electrolyte gated metal oxide transistors are promising for low cost, flexible and large area electronics.