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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2019.tde-26112019-094751
Documento
Autor
Nome completo
José Augusto Padovese Peixoto
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2019
Orientador
Banca examinadora
Martino, João Antonio (Presidente)
Melo, Emerson Gonçalves de
Perseghini, Sara Dereste dos Santos
Título em português
Aplicação do BESOI (Back Enhanced) MOSFET como sensor de luz no espectro visível.
Palavras-chave em português
BESOI MOSFET
Microeletrônica
Sensores ópticos
Transistores
Resumo em português
Este trabalho tem como objetivo verificar as características fotossensoras do novo dispositivo BESOI (Back Enhanced) MOSFET a fim de aplicá-lo como sensor BESOI MOSFET foi desenvolvido e fabricado no Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI) da Universidade de São Paulo (USP). Suas principais características são a fabricação extremamente simples, tornando-o acessível a laboratórios acadêmicos, e a operação reconfigurável, i.e., é possível mudar sua operação entre nMOS e pMOS apenas mudando a polarização na segunda porta. O princípio de funcionamento se baseia na corrente da segunda interface, i.e., entre óxido enterrado e canal de silício. Ao polarizar a segunda porta com uma tensão suficientemente negativa, induz-se uma camada de lacunas na segunda interface, que conectam fonte e dreno, permitindo a passagem de corrente. O resultado é um transistor operando como tipo-p. Analogamente, se a tensão de segunda porta for suficientemente positiva, elétrons são induzidos na segunda interface e a operação é como tipo-n. O dispositivo BESOI conta com uma região chamada de subposição (underlap), situada entre o eletrodo de porta e o terminal de dreno ou fonte. Devido a sua característica de condução pela segunda interface, o transistor tem uma alta resistência para a condução de corrente na primeira interface (óxido de porta/canal de silício). Em consequência disso, uma pequena geração de pares elétron-lacuna (como a decorrente de incidência de luz) pode reduzir a resistividade dessa região, causando uma maior variação de corrente. Além disso, a simplicidade de fabricação do BESOI pode torná-lo compatível com tecnologias SOI comerciais sem alterações significativas no processo de fabricação. Desse modo, almeja-se neste trabalho aplicar esse novo dispositivo como sensor de luz, a fim de se obter um sensor integrado a tecnologias SOI UTB (Ultra-Thin Body). Para tal, primeiro foi verificada a sensibilidade dos dispositivos já fabricados à radiação luminosa dentro do espectro visível, mais especificamente para comprimentos de onda de 400 nm e 635 nm. A maior variação da corrente de dreno causada pela radiação luminosa medida foi de 34 nA com responsividade de 8,9 mA/W - observadas para uma polarização que induzia portadores também na primeira interface e radiação de 400 nm de comprimento de onda. Este resultado experimental foi também verificado por simulações numéricas, que apresentaram as mesmas tendências, mas com responsividade de 165 A/W. Apesar de usarem métodos de detecção diferentes, esse desempenho é parecido ao de fototransistores junctionless (sem junção). Nesse dispositivo, a dopagem do filme de silício é uniforme assim como no BESOI, mas a concentração de dopantes é elevada. O BESOI também foi comparado com o fotodetetor ICPD (Interface Coupled Photodetector), que é construído numa lâmina SOI e se baseia no efeito de acoplamento entre interfaces. Foi usado um método de detecção de luz por variação da tensão de limiar e se observou uma relação entre a área do BESOI com a sensibilidade. Por fim, tentou-se melhorar a sensibilidade do BESOI por meio de alterações estruturais. Foi verificada a influência, separadamente, tanto da espessura da camada de silício quando da dopagem do canal na sensibilidade, que mostrou um ponto ótimo para uma espessura de 15 nm e concentrações de 1017 cm-3.
Título em inglês
Application of the BESOI (Black Enhanced) MOSFET as a light sensor in the visible spectrum.
Palavras-chave em inglês
BESOI MOSFET
Optical sensors
Reconfigurable transistors
Resumo em inglês
The goal of this work is to verify the light sensing characteristics of the novel device BESOI (Back Enhanced) MOSFET in order to apply it as a light sensor. The BESOI MOSFET was developed and fabricated in the Laboratory of Integrable Systems (Laboratório de Sistemas Integráveis, LSI) at the University of Sao Paulo (USP). The device main features are the extremely simple fabrication, making it accessible to academic laboratories, and the reconfigurable operation, i.e., it is possible to change the operation between nMOS and pMOS only by a different back gate bias. The operation principle is based on the back interface current, i.e., between buried oxide and silicon channel. When the back gate is biased with a sufficient positive voltage, a layer of holes is induced that connects drain and source, thus allowing the current to flow. The result is a device operating as a p-type transistor. Analogously, if the back gate bias is negative, electron are induced at the back interface and the operation is like an n-type transistor. The BESOI device features a region called underlap, located between the front gate electrode and the drain or source. Because the drain current flows through the back interface, the transistor has a high resistivity in the front interface (gate oxide/silicon channel) in that region. Consequently, a small electronhole pair generation (like due to light incidence) can reduce the underlap resistivity causing a high current variation. Furthermore, the fabrication simplicity of the BESOI can make if compatible with commercial SOI technologies without significant changes in the fabrication process. Because of that, this works aims to use this new device as a light sensor in order to obtain a sensor integrated to SOI UTB (Ultra-Thin Body) technology. To accomplish that, the light sensitivity of the fabricated devices was verified in the visible spectrum, specifically for wavelengths of 400 nm 635 nm. The higher drain current variation due to luminous radiation measured was 34 nA with a responsivity of 8.9 mA/W - that was observed for a bias that induces carriers also in the front interface and for the 400 nm wavelength radiation. This experimental result was verified by numerical simulations, which presented the same tendencies and a responsivity of 165 A/W. Although the detection method is different, this performance is similar to the one obtained in junctionless phototransistors. Like the BESOI, the silicon film in this kind of device is doped uniformly, but uses a high concentration of impurities. The BESOI was also compared with the novel photodetector ICPD (Interface Coupled Photodetector), which is built on a SOI wafer and uses the interface coupling effect. Using a method of light detection based on the variation of the threshold voltage it was observed a relationship between the area of the BESOI and the sensitivity. Finally, changes in the structure of the BESOI were made in order to achieve a better sensitivity. This work examined, separately, the impact of the silicon film thickness and the channel doping concentration on the sensitivity. The results presented an optimal point for a 15 nm thick silicon film and a doping concentration of 1017 cm-3.
 
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Data de Publicação
2019-11-26
 
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