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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2018.tde-04052018-150633
Document
Author
Full name
Leonardo Shimizu Yojo
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2018
Supervisor
Committee
Martino, João Antonio (President)
Zambom, Luis da Silva
Gimenez, Salvador Pinillos
Title in Portuguese
Estudo, caracterização elétrica e modelagem de transistores BE (Back Enhanced) SOI MOSFET.
Keywords in Portuguese
Microeletrônica
Transistores
Abstract in Portuguese
Este trabalho tem como objetivo o estudo, caracterização elétrica e modelagem do novo transistor desenvolvido e fabricado no Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI) da Universidade de São Paulo (USP) chamado BE (Back Enhanced) SOI MOSFET. Trata-se de um dispositivo inovador que se destaca principalmente pela sua facilidade de fabricação (exigindo apenas processos bem conhecidos e nenhuma etapa de dopagem do semicondutor) e sua flexibilidade quanto ao modo de operação (pode atuar como um transistor MOS tipo n ou um transistor MOS tipo p, dependendo somente da polarização de substrato). Aplicando-se tensão no substrato (VGB) é possível formar um canal de elétrons (VGB>0) ou lacunas (VGB<0) na segunda interface da camada de silício, por onde a corrente entre fonte e dreno flui. Sua patente foi requerida junto ao INPI (Instituto Nacional da Propriedade Industrial) sob o número BR 10 2015 020974 6. Foram realizadas medidas elétricas e simulações numéricas para melhor compreender seu princípio de funcionamento e as características que tornam possível sua reconfigurabilidade. Duas fabricações distintas deste tipo de dispositivo foram analisadas. Além das espessuras distintas, a principal diferença entre elas é o metal utilizado nos eletrodos de fonte e dreno, sendo alumínio na primeira e níquel na segunda versão. O alumínio utilizado na primeira versão resultou em contatos Ôhmicos após o processamento térmico das lâminas, que favoreceram o funcionamento do dispositivo como transistor tipo p, devido à natureza do material utilizado. A análise em função da temperatura (de 25ºC até 125ºC) mostrou uma variação da tensão de limiar (até 1,52mV/ºC) e uma degradação da mobilidade dos portadores de carga (analisado através da transcondutância), resultando no surgimento de um ponto invariante com a temperatura, o chamado ZTC (Zero Temperature Coefficient). Já a segunda versão possui contatos Schottky, na qual foram obtidos níveis de corrente apreciáveis tanto para transistores tipo n (na ordem de nA para as condições de polarização utilizadas), quanto para transistores tipo p (na ordem de ?A). O comportamento da curva de corrente de dreno deste dispositivo apresentou uma estabilização a partir de determinado valor de tensão de porta. A partir deste ponto o BE SOI MOSFET deixa de atuar como um transistor convencional e passa a ter sua corrente de dreno proporcional a tensão de substrato. Medidas em função da temperatura nesta segunda versão permitiram comparar os resultados com os da primeira versão. Percebeu-se a ausência do ponto de ZTC, uma vez que foi observado o aumento da corrente devido à diminuição da resistência dos contatos de fonte e dreno para temperaturas mais elevadas. Por fim, a operação de um circuito inversor utilizando o BE SOI MOSFET foi implementada, mesmo quando alternando os tipos dos transistores, comprovando a flexibilidade de funcionamento dos transistores ao mudar seu tipo em função da polarização de substrato.
Title in English
Study, electrical characterization and modeling of BE (Back Enhanced) SOI MOSFET transistors.
Keywords in English
BE SOI MOSFET
Reconfigurable transistors
SOI technology
Abstract in English
The aim of this work is the study, the electrical characterization and the modeling of the new transistor that was developed and fabricated in the Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI) at University of Sao Paulo (USP). It was named BE (Back Enhanced) SOI MOSFET. This innovative device has the advantage of a simple fabrication (only well-known processes are required to build it and there is no need of any doping step) and it has a reconfigurable operation (it can act as a n-type MOS transistor or as a ptype MOS transistor depending only on substrate bias). The substrate voltage (VGB) is responsible for the formation of an electron (VGB>0) or a hole (VGB<0) channel at the back interface of the silicon, where the drain current flows. The patent for it was required at the National Industrial Property Institute under the number BR 10 2015 020974 6. Electrical measurements and numerical simulations were performed to better understand its functioning principle and the characteristics that enable its reconfigurability. Two different fabrication splits were analyzed. Beside their thicknesses, the main difference between them is the drain and source metal electrode (aluminum in the first split and nickel in the second one). The one with aluminum electrodes resulted in Ohmic contacts after thermal processing, that favored the formation on the p-type transistor because of the nature of the used element. It was observed a variation of the threshold voltage (up to 1.52mV/ºC) and a mobility degradation (seen through the transconductance behavior) as a function of the temperature (from 25ºC to 125ºC), resulting in a zero-temperature coefficient (ZTC) bias point in this device. In this bias condition point, the drain current is almost constant as a function of the temperature, which is a good characteristic especially for analog circuits. The second split has Schottky drain and source contacts, in which appreciable current levels were obtained for both n-type transistors (order of magnitude of nA in the measured bias conditions) and p-type transistors (order of magnitude of ?A). The drain current of this device showed a particular behavior where the drain current stabilizes from a certain gate voltage. In this condition, the BE SOI MOSFET does not act as a conventional transistor anymore and its current is proportional to the substrate bias. Measurements as a function of the temperature were performed in the device too. It was observed an increase of the drain current, differently from the first split, due to the reduction of the source and drain contacts resistances as a function of the temperature. This resulted in the absence of the ZTC point. Finally, the operation of an inverter circuit using BE SOI MOSFET transistors was implemented, even if the type of the transistors were switched. This result shows the flexibility of operation of the transistor, in other words, it is possible to change its type as a function of the substrate bias.
 
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Publishing Date
2018-05-07
 
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