Study of UV-light induced conductance switching behavior in titanium dioxide based devices

Nowadays, digital imaging technology plays a more and more important role in social life, pervading different fields of application going from industrial quality control to medical diagnosis, from environmental monitoring to entertainment and homeland security. However, in some imaging applications a large size of the object has to be imaged and sometimes light focusing is either not possible or not convenient. In this case, large area panels are inherently required. Silicon, which is traditionally used in electronics, is ill-suited to the production of large area panels, because cost would be prohibitive. Solution processable semiconductors might be an interesting alternative, as they can be deposited by scalable printing techniques (roll-to-roll, screen printing, inkjet printing) over large surfaces in a cost effective way. From the point of view of the working principle, digital imagers typically exploit photodiodes as the photosentitive devices. In this case, light stimulation is translated into photogenerated charges that need to stay stored on the photodiode intrinsic capacitance until the moment the pixel is actually read. An addressing element, i.e. a transistor, is then required for each pixel to provide controlled and selective access to the photodiode (active matrix configuration). Besides some general drawbacks like the fact that the information is transitory and reading is a destructive operation, this solution also shows some difficulties specific to printed electronics, namely: i) integration of different devices (i.e. a photodiode and a transistor) by printing techniques is not trivial; ii) the spatial resolution for printed devices is poor, which means that the transistor will occupy a significant portion of the pixel area at the detriment of the fill- factor. Here we propose a different approach: imaging pixels based on UV-light induced conductance switching in titanium dioxide (TiO2). The basic idea is: the transistor would not be necessary if instead the optical information would be translated into a stable variation of electrical parameter (the conductivity) of the photosensitive member. We therefore exploit a well known phenomenon in TiO2 that results into a light induced n-doping of the semiconductor due to oxygen atoms expulsion from the material’s surface. This translates into a change of material conductivity, containing the required information about the incoming light stimulus. In this thesis work, after briefly introducing the context (Chapter 1), we will discuss deeply the technology of using such imaging pixels (working principle, fabrication, states of the art) (Chapter 2). In Chapter 3 we will show that a range of UV-light induced conductance change of more than three orders of magnitude can be obtained for such pixels operated in an inert athmosphere. We will also demonstrate that after light stimulation, good control over pixels spontaneous return to initial conductivity level can be obtained by playing with device fabrication protocol, namely by passivating or not the surface of the semiconductor right after the deposition. Previous works have shown such kind of pixels can work properly in high vacuum athmosphere, where oxygen atoms expelled upon illumination are not expected to be recovered and the photodoping effect is supposed to be permanent. In Chapter 4, we show that such pixels can effectively be operated in different working athmosphere as long as air (oxygen, moisture) content is negligible. This represents a crucial step from a technological point of view. Finally we also tested the device for multi cycles to determine whether the pixels can be operated many times, regardless the specific working athmosphere in use. Finally, in Chapter 5 we will resume on the main experimental results and draw the conclusions.

Al giorno d’oggi, l’imaging digitale è una tecnologia che ricopre un ruolo sempre più importante nella vita quotidiana, trovando applicazione in numerosi settori che vanno dalla diagnostica medica al controllo di qualità industriale, dal monitoraggio ambientale alla sicurezza interna. Tuttavia, a volte gli oggetti di cui si vuole registrare l’immagine hanno dimensioni non trascurabili, e non sempre la focalizzazione del segnale ottico è possibile o semplice da realizzare. In questi casi, è necessario che i pannelli utilizzati per l’applicazione di imaging siano essi stessi di dimensioni non trascurabili. Il silicio, materiale principe per l’elettronica, non si presta a questo tipo di situazioni, poiché i costi di fabbricazione diventano proibitivi. In alternativa, si può pensare di ricorrere a semiconduttori che siano processabili da soluzione, magari attraverso tecniche di stampa scalabili e a basso costo, quali inkjet printing, screen printing, tecniche roll-to-roll. Da un punto di vista del principio di funzionamento, gli imager digitali utilizzano spesso come elementi fotosensibili dei fotodiodi. In questo caso, il segnale ottico viene tradotto in un pacchetto di cariche fotogenerate che devono rimanere accumulate sulla capacità intrinseca del fotodiodo stesso fino al momento della lettura. E’ dunque necessario che ad ogni pixel sia abbinato un elemento di indirizzamento, tipicamente un transistor, che garantisca accesso controllato e selettivo al fotodiodo corrispondente (matrice attiva). Al di là del fatto che in questo caso l’informazione ha una natura transitoria e la lettura risulta essere un’operazione distruttiva, nel caso di una realizzazione basata su elettronica stampata emergono anche altri svantaggi, quali: i) l’integrazione di dispositive diversi (un fotodiodo e un transistor) con tecniche di stampa non è banale; ii) la risoluzione spaziale dei dispositivi stampati è limitata, il che significa che il transitor occuperà una porzione significativa dell’area del pixel, a scapito del fill-factor. In questa tesi proponiamo dunque un diverso approccio al problema, sviluppando pixels basati su una variazione fotoindotta di conducibilità in strati di biossido di titanio (TiO2). L’idea di fondo è: se l’informazione ottica fosse tradotta in una variazione stabile di una proprietà elettrica del materiale attivo, piuttosto che in un accumulo transitorio di carica, sarebbe possibile evitare l’utilizzo del transistor di indirizzamento. A questo scopo si è sfruttato un fenomeno noto per l’ossido di titanio, che consiste in un n-doping del semiconduttore legato all’espulsione fotoindotto di atomi di ossigeno dalla superficie del materiale stesso. Questo a sua volta si traduce in una variazione di conducibilità del materiale, la quale porta con sè tutte le informazioni necessarie riguardo al segnale ottico incidenete. In questo lavoro di tesi, dopo aver introdotto brevemente il contesto in cui si inquadra l’attività (Capitolo 1), discuteremo in dettaglio la tecnologia proposta (Capitolo 2) in termini di principio di funzionamento, fabbricazione dei pixel e stato dell’arte. Nel Capitolo 3 mostreremo che con tali pixel utilizzati in atmosfera inerte si può ottenere un range di variazione fotoindotta di conducibilità di più di tre ordini di grandezza. Dimostreremo inoltre che a valle della stimolazione ottica, si può ottenere un buon controllo sul processo spontaneo di ritorno della conducibilità al livello iniziale attraverso ingegnerizzazione del processo di fabbricazione, in particolare applicando o meno un trattamento di passivazione alla superficie dell’ossido dopo la deposizione. Lavori precedenti hanno mostrato come questo tipo di pixel può funzionare correttamente se utilizzati in condizioni di alto vuoto, dove gli atomi di ossigeno espulsi a valle dell’illuminazione non possono essere facilmente reintegrate dal materiale e ci si aspetta che l’effetto di fotodoping sia permanente. Nel Capitolo 4 mostreremo che tali pixel in realtà possono funzionare correttamente anche in atmosfere diverse dall’alto vuoto, purchè la quantità di ossigeno e umidità presente sia trascurabile. Questo rappresenta un passo fondamentale dal punto di vista tecnologico. Infine, dimostreremo che i pixel in questione possono essere riutilizzati per più volte, indipendentemente dall’atmosfera in cui si sta lavorando. Infine, nel Capitolo 5 riassumeremo i principali risultati sperimentali e trarremo le conclusioni.