Metal Oxides for Ion-Gated Transistors

Les transistors sont les éléments constitutifs fondamentaux des circuits électroniques. Le silicium est un matériau semi-conducteur largement utilisé dans la fabrication de transistors en raison de ses excellentes propriétés électriques ajustables. Malheureusement, les applications des transistors à base de silicium sont limitées en raison des difficultés d'altération des propriétés optiques et mécaniques du silicium. Récemment, les matériaux à base d'oxydes métalliques émergent comme des candidats alternatifs pour le silicium. Les performances électriques sont similaires à celles du silicium, mais les propriétés optiques et mécaniques intrinsèques des oxydes métalliques sont ajustables. De plus, les conditions de synthèse des oxydes métalliques sont réalisables à des températures plus basses en utilisant des procédés plus simples que dans la synthèse du silicium. Après le développement de l'oxyde d'indium-gallium-zinc amorphe (a-IGZO) traité à température ambiante, l'électronique à base d'oxyde a suscité un grand intérêt. L'IGZO possède des propriétés uniques, telles qu'une mobilité élevée à l'état amorphe, une transparence optique, une stabilité dans les conditions ambiantes et un faible courant de fuite drain-source, qui confèrent à ce matériau des performances et des caractéristiques appropriées pour la commercialisation dans de nombreuses technologies d'affichage. Un inconvénient important des IGZO est l'augmentation rapide de la demande d'indium provoquant une pénurie dans la croûte terrestre, limitant l'offre de transistors à base d'IGZO. Des recherches récentes visent à résoudre le problème de la rareté de l'indium en trouvant un substitut d'oxyde métallique à l'indium abondant sur terre. Cette thèse de doctorat est consacrée à la recherche et à la caractérisation d'alternatives possibles aux semi-conducteurs à base d'indium. Nous nous concentrons sur le TiO2 et le SnO2 en tant que candidats potentiels en raison de leur abondance, de leur transparence, de leur conductivité électrique réglable et de leur aptitude au traitement à basse température. Ces oxydes métalliques présentent des performances exceptionnelles et pourraient constituer de futures alternatives aux transistors à base d'indium.

Abstract

Transistors are the fundamental building blocks of electronic circuits. Silicon is a semiconducting material widely used in the fabrication of transistors because of its excellent, tunable electrical properties. Unfortunately, the applications of silicon-based transistors are limited due to the difficulties of altering the optical and mechanical properties of silicon. Recently, metal oxide materials are emerging as alternative candidates for silicon. The electrical performance is comparable to polycrystalline silicon, but the intrinsic optical and mechanical properties of metal oxides are tunable. In addition, the synthesis conditions of metal oxides are achievable at lower temperatures using simpler processes than in silicon processing. After the development of room temperature-processed, amorphous indium-gallium-zinc-oxide (a-IGZO), oxide-based electronics have attracted great interest. The IGZO possesses unique properties, such as, high mobility in an amorphous state, optical transparency, stability in ambient conditions, and low drain-source leakage current, that impart this material with suitable performance and characteristics for commercialization in many display technologies. A significant drawback of IGZO is the rapid increase in indium demand causing scarcity in the earth's crust, limiting IGZO-based transistor supply. Recent research aims to solve the problem of indium scarcity by finding a metal-oxide replacement for indium that is earth-abundant. This PhD thesis is devoted to finding and characterizing possible alternatives to indium-based semiconductors. We focus on TiO2 and SnO2 as potential candidates due to their abundance, transparency, tunable electrical conductivity, and low temperature processability. These metal oxides show exceptional performance, and may be future alternatives for indium-based transistors. Transistors used in wearable electronics or biomedical devices require low operating voltages. To achieve transistors with a low operating voltage, we focused on developing ion-gated transistors (IGTs). IGTs use metal oxides (TiO2 and SnO2) as a channel material and ionic liquid, ionic-gel, or aqueous electrolytes as the ion-gating medium. Due to the high capacitance of electrical double layer formed at the semiconductor/ion-gating medium interface, IGTs operates at lower voltages.