Desenvolvimento de transistores verticais de efeito de campo com eletrólito no gate para fotodetectores UV

Os transistores constituem elementos fundamentais dos circuitos eletrônicos, desempenhando funções como amplificação de sinal e chaveamento de circuitos. No contexto da eletrônica alternativa, há demanda por transistores que combinem propriedades como impressão em larga escala, flexibilidade, transparência e integração funcional em aplicações não convencionais, incluindo embalagens inteligentes e peças de adornos. Nesse contexto, transistores de efeito de campo com eletrólito no gate (EGTs) têm se destacado pela elevada capacitância de dupla camada elétrica e operação em baixas tensões, enquanto arquiteturas verticais permitem reduzir o comprimento do canal a escalas nanométricas e aumentar a densidade de corrente. A combinação dessas estratégias resulta nos transistores verticais de efeito de campo com eletrólito no gate (EGVFETs), uma arquitetura promissora para fotodetecção UV eficiente. Esta pesquisa investigou EGVFETs por meio do estudo de suas camadas constituintes (eletrodo intermediário, semicondutor e eletrólito) a partir de dispositivos análogos (resistores, diodos, capacitores MES/MIS e EGTs planares) como plataformas de teste para elucidar mecanismos de transporte, efeitos interfaciais e respostas optoeletrônicas sob UV. Para garantir que esse dispositivo não cause um grande impacto ambiental, usou-se materiais preferencialmente amigáveis ao ambiente e abundantes, que apresentem propriedades como biodegradabilidade e reciclabilidade. Portanto, como semicondutor, utilizou-se o óxido de zinco (ZnO), um semicondutor biodegradável amplamente usado em fotodetectores de radiação UV, o qual foi obtido a partir de um precursor orgânico processado por solução e depositado por spray pirólise ou pela deposição de tintas de nanopartículas por screen-printing. Quanto ao eletrólito, foram usados tanto o mel de abelha quanto um eletrólito íon-gel à base de celulose, ambos amigáveis ao meio ambiente. Foram investigados efeitos de memória nos transistores que apresentaram um comportamento típico de memória de armadilha de carga, com um tempo de retenção adequado para aplicações que requerem memórias de curta duração. Em capacitores MES (ITO/eletrólito/ZnO), observaram-se regimes de depleção e acumulação análogos aos MIS, além de picos de perda compatíveis com estados interfaciais. Além disso, ao explorar a célula de diodo do EGVFET, revelou-se uma relação corrente-tensão predominantemente governada pela corrente limitada por carga espacial (SCLC), enquanto sua célula capacitiva forneceu informações sobre o papel do campo elétrico de gate na acumulação de portadores de carga nas perfurações da fonte do dispositivo (eletrodo intermediário). Nossas descobertas lançam luz sobre como o campo elétrico do gate orquestra um deslocamento progressivo nos regimes de SCLC, influenciando posteriormente a dinâmica de comutação do transistor. Além disso, EGVFETs com mel no gate apresentaram desempenho para emulação de sinapses optoeletrônicas. Ao avaliar as propriedades de transporte e as capacidades optoeletrônicas, foi possível avaliar o potencial dos EGVFETs para fotodetectores UV. De forma complementar, foram investigados transistores sustentáveis em substratos celulósicos (madeira e papel) com a finalidade de produzir dispositivos para aplicações em fotodetectores e simulação de sinapse. Nesta etapa, verificou-se que a nanoestrutura de ZnO é uma parâmetro-chave para otimizar sensibilidade e tempos de resposta em fotodetectores UV, consolidando-a como uma plataforma promissora para futura integração em arquiteturas EGVFET de alto desempenho.

Resumo (inglês)

Transistors are fundamental elements of electronic circuits, performing functions such as signal amplification and circuit switching. In the field of alternative electronics, there is a demand for transistors that combine properties such as large-area printability, flexibility, transparency, and functional integration in unconventional applications, including smart packaging and adornment pieces. In this context, electrolyte-gated field-effect transistors (EGTs) have stood out due to their high electric double-layer capacitance and low-voltage operation, while vertical architectures enable the channel length to be reduced to nanometer scales and the current density to be increased. The combination of these strategies results in electrolyte-gated vertical field-effect transistors (EGVFETs), a promising architecture for efficient UV photodetection. This research investigated EGVFETs through the study of their composing layers (intermediate electrode, semiconductor, and electrolyte) using analogous devices (resistors, diodes, MES capacitors, and planar EGTs) as test platforms to elucidate transport mechanisms, interfacial effects, and optoelectronic responses. To ensure that this device does not cause a major environmental impact, materials that are preferably environmentally friendly and abundant, and that exhibit properties such as biodegradability and recyclability, were used. Therefore, zinc oxide (ZnO) was used, a biodegradable semiconductor highly promising for UV radiation photodetectors, obtained from an organic precursor processed in solution and deposited by spray pyrolysis or by depositing nanoparticle inks via screen-printing. As electrolytes, both honey and a cellulose-based ion-gel electrolyte were used, both environmentally friendly. Memory effects were investigated in transistors, that exhibited a typical charge-trap memory behavior, with a retention time suitable for applications requiring short-term memories. In MES capacitors (ITO/electrolyte/ZnO), depletion and accumulation regimes analogous to MIS devices were observed, as well as loss peaks compatible with interfacial states. In addition, by exploring the EGVFET diode cell, a current–voltage relationship predominantly governed by space-charge-limited current (SCLC) was revealed, while its capacitive cell provided valuable information about the role of the gate electric field in the accumulation of charge carriers in the source perforations of the device (intermediate electrode). Our findings shed light on how the gate electric field orchestrates a progressive shift in SCLC regimes, subsequently influencing the transistor switching dynamics. Furthermore, EGVFETs with honey gate showed performance suitable for emulating optoelectronic synapses. By evaluating transport properties and optoelectronic capabilities, it was assessed the potential of EGVFETs for UV photodetectors. Complementarily, sustainable transistors on cellulosic substrates (wood and paper) were investigated with the purpose of producing devices for applications in photodetectors and synapse simulation. At this stage, it was assessed that the ZnO nanostructure is a direct lever to optimize sensitivity and response times in UV photodetectors, consolidating this as a promising platform for future integration into high-performance EGVFET architectures.

Palavras-chave

Fotodetectores , Transistores verticais , Eletrônica impressa , Photodetectors , Vertical transistors , Printed electronics

Idioma

Português

Citação

VIEIRA, Douglas Henrique. Desenvolvimento de transistores verticais de efeito de campo com eletrólito no gate para fotodetectores UV. Orientador: Neri Alves. 2026. 181 f. Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia do Materiais) - Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Presidente Prudente, 2026.