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.