Análise e caracterização de transistores de porta eletrolítica

Abstract

Transistores de porta eletrolítica (EGTs) destacam-se por sua baixa tensão de operação (~2V) e fácil fabricação. Nestes dispositivos o dielétrico da porta é um eletrólito cuja alta capacitância é responsável pelas baixas tensões de operação. Destaca-se aqui o uso de óxido de zinco (ZnO), um semicondutor tipo n, devido a sua alta mobilidade eletrônica, transparência e a presença de armadilhas de carga quando usado como camada ativa, sendo promissor para dispositivos de memória. Com a motivação de se estudar qual o efeito da polarização do eletrólito em suspenção sobre o comportamento destes dispositivos, este trabalho contempla a fabricação e caracterização de um EGT baseado em óxido de zinco, analisando os dados obtidos com o objetivo de estabelecer uma relação entre a variação da concentração iônica e a variação da performance do dispositivo com base em um modelo difusivo para os ions do eletrólito. A deposição da camada ativa, sobre substratos de óxido de silício, foi feita por um aparato de spray-ultrassônico através da pirólise de uma solução precursora de acetato de zinco. O eletrólito da porta é uma solução aquosa de cloreto de sódio, o qual é disposto sobre o dispositivo delimitando-se uma área sobre os eletrodos utilizando PDMS. O resultado é um dispositivo capaz de operar com tensões no dreno e porta de cerca de 1 V sem degradação da porta, apresentando propriedades dependentes da concentração iônica como um aumento de três ordens de grandeza na razão on/off com o aumento da concentração. Utilizou-se o modelo de Gouy-Chapmann para se entender a variação da capacitância com a concentração iônica do eletrólito, contudo, apenas a variação na capacitância específica parece não ser o bastante para se explicar a variação nos parâmetros do dispositivo, especialmente para altas concentrações, onde verifica-se um aumento inesperado na mobilidade no regime de saturação do dispositivo.

Solution processed electrolyte gated transistors (EGTs) stand out for their low voltage operation (~2V) and easy processing. In these devices the gate dielectric is an electrolyte, whose high capacitance is responsible for the low voltage operation. We highlight the use of the n-type semiconductor, zinc oxide (ZnO), for its high electronic mobility, transparency, and the presence of charge traps when used as the active layer, which makes it quite promising for applications in memory devices. With the motivation to study the effect of electrolyte polarization in suspension on the behaviour of these devices, this work contemplates the fabrication and characterization of an EGT based on zinc oxide, analysing the results with the aim of establishing a relation between the variation of the ionic concentration and the device’s performance, using a diffusive model for the electrolyte ions. For the active layer, ZnO is deposited using an ultrasonographic spray device, using a solution of zinc acetate as a precursor, whose pyrolysis leaves behind a thin layer (~30 nm) of ZnO deposited over silicon substrates. As for the electrolyte, a solution of sodium chloride in water is placed over the active layer by delimiting an area over the electrodes using PDMS. The result is a device able to operate in gate and drain voltages of around 1 V without degrading the gate, presenting concentration-dependent properties such as a three-order of magnitude increase in the on/off ratio with the rise in concentration. The Gouy-Chapman model was used to understand the variation of capacitance with the ionic concentration of the electrolyte. However, the variation in specific capacitance alone does not seem to be sufficient to explain the changes in the device parameters, especially at high concentrations, where an unexpected increase in mobility is observed in the device's saturation regime.