Desenvolvimento de transistores verticais de efeito de campo impressos - Nogueira, Gabriel Leonardo [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022)
Atualmente, os transistores com gate eletrolítico (EGTs) e transistores de efeito de campo com arquitetura vertical e barreira Schottky (SB-VFETs) são alternativas promissoras aos transistores convencionais, principalmente visando o desenvolvimento de uma eletrônica impressa. Em particular, camadas ativas baseadas no uso de óxidos metálicos semicondutores como o óxido de zinco (ZnO) se destaca devido à alta mobilidade e transparência aliadas a uma compatibilidade com processamento por solução. Embora o número de publicações nesses tópicos venha aumentando significativamente, um transistor de arquitetura vertical que contenha gate eletrolítico e camada ativa de óxido semicondutor não foi reportado até o momento. Neste estudo, propomos uma rota com baixo-custo de implementação baseada em um transistor eletrolítico vertical (EG-SB-VFET) com camada semicondutora de ZnO depositada por spray. Desta forma, alcançamos um desempenho notável para um transistor com baixa voltagem de operação devido ao caráter eletrolítico, aliada à arquitetura vertical que contorna a necessidade de microfabricação de alta resolução. Tal objetivo demandou diferentes etapas, nas quais foram estudados diferentes materiais e desenvolvidos três dispositivos elementares: diodo Schottky, EGT e o EG-SB-VFET. A avaliação dos diodos Schottky baseou-se no pós-processamento de dados experimentais de corrente-voltagem por meio da aplicação de métodos analíticos complementares (Mikhelashvili, Werner e Cheung). Destacam-se valores de resistência em série de ~200 Ω e altura de barreira de ~0,75 eV para a junção ZnO/AgNW. O desempenho do EGT padrão de ZnO depositado por spray pirólise foi usado como referência para os transistores verticais. Os principais parâmetros calculados foram mobilidade de efeito de campo de ~11 cm2 V-1 s-1, transcondutância de ~2,46 mS e subthreshold swing de ~0,13 V dec-1. Quanto aos EG-SB-VFET, foram calculadas as principais figuras-de-mérito a partir da curva de transferência, que incluem densidade de corrente de ~111 mA cm-2, transcondutância de ~4,7 mS e subthreshold swing de ~0,22 V dec-1. Em relação à modulação da corrente nas curvas de saída, verificou-se que dependendo da forma com que os eletrodos são polarizados, o mesmo dispositivo pode-se comportar de forma similar a um diodo ou a um transistor. Conclui-se que o desempenho reportado dos EG-SB-VFETs é atrativo, pois sem a necessidade de eletrodos de fonte e dreno coplanares de alta resolução atingem-se valores semelhantes ao EGT padrão. Assim, a arquitetura EG-SB-VFET baseada em ZnO e AgNW é uma forma inovadora de contornar os principais desafios dos TFTs convencionais.

Nowadays, electrolyte-gated transistors (EGT) and Schottky barrier vertical field-effect transistors (SB-VFET) are better options for the development of printed electronics than conventional transistors. In particular, the use of a metal oxide semiconducting layer as zinc oxide (ZnO) stands out because of its high mobility and transparency integrated with the solution-processed advantages. Even though the publications on the above topics have faced a fast-growing, a vertical transistor composed of an electrolytic gate and an active layer based on an oxide semiconductor is still missing. Here, we report a low-cost vertical electrolyte transistor (EG-SB-VFET) using spray-deposited ZnO as the semiconductor. This approach enables a notable performance with a low-voltage transistor operation resulting from electrolytic character. Besides, the vertical structure circumvents the need for high-resolution microfabrication. The main goal demanded several steps, in which we studied different materials and developed three ZnO-based devices: Schottky diode, EGT, and the EG-SB-VFET. We evaluated the Schottky diodes based on the post-processing of the experimental current-voltage data by applying different analytical methods (Mikhelashvili, Werner and Cheung). We achieved a series resistance of ~200 Ω and a barrier height of ~0,75 eV for the ZnO/AgNW junction. We used the performance of the standard EGTs using ZnO by spray pyrolysis as the benchmark for the vertical architecture ones. The main parameters are field-effect mobility of ~11 cm2 V-1 s-1, a transconductance of ~2.4 mS and a subthreshold swing of ~0.13 V dec-1. For the EG-SB-VFET, we calculated the main figure-of-merit from the transfer curves, which are a current density of ~111 mA cm-2, a transconductance of ~4.7 mS and a subthreshold swing of ~0,22 V dec-1. By analyzing the current modulation on output curves, it is clear that we can control the electric behavior based on the bias connections once the same device can behave in a diode or a transistor mode. In conclusion, the achieved EG-SB-VFETs performance without high-resolution patterns is even better than the standard micrometric-sized EGT. Therefore, the EG-SB-VFET based on spray-deposited ZnO and AgNW layers is an innovative way to circumvent the challenges of conventional TFTs.
Development of printed vertical field-effect transistors
Keywords: Eletrônica impressa; Transistor eletrolítico vertical; Óxido de zinco; AgNW; Printed electronics; Vertical electrolyte-gated transistor; Zinc oxide; Silver nanowire