Departamentul Dispozitive, Circuite și Arhitecturi Electronice labs/L1/theses_RP.pdf · Modele și tehnologii de realizare de senzori pe SiC pentru medii ostile 5 CAPITOLUL 1 DISPOZITIVE

Proiect InnoRESEARCH - POSDRU/159/1.5/S/132395 Burse doctorale i postdoctorale n sprijinul inovrii i competitivitii n cercetare

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURETI Facultatea de Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia Informaiei

Departamentul Dispozitive, Circuite i Arhitecturi Electronice

Nr. Decizie Senat 237 din 02.09.2015

TEZ DE DOCTORAT

Rezumat

Modele i tehnologii de realizare de senzori pe SiC pentru medii ostile

SiC sensors for harsh environments: models and technologies

Autor: Ing. Rzvan Pascu

Conductor de doctorat: Prof. Dan Dasclu

COMISIA DE DOCTORAT

Preedinte Prof. Ion Marghescu de la Universitatea Politehnica din Bucureti

Conductor de doctorat Prof. Dan Dasclu de la Universitatea Politehnica din Bucureti

Referent Prof. Gheorghe Brezeanu de la Universitatea Politehnica din Bucureti

Referent Dr. Raluca Muller de la IMT Bucureti

Referent Dr. Mihaela Kusko de la IMT Bucureti

Bucureti, 2015


2

Mulumiri

Odat cu finalizarea programului de doctorat, doresc s adresez cteva cuvinte de mulumire celor care mi-au

acordat suportul lor n aceast perioad i m-au ndrumat pe parcursul acestei lucrri.

Doresc s mulumesc coordonatorului meu tiinific, domnului Prof. dr. ing. Dan DASCLU, pentru

ndrumarea, sprijinirea i ncurajarea de-a lungul perioadei de pregtire a doctoratului i de elaborare a tezei.

n egal msur, doresc s i muumesc domnului Prof. dr. ing. Gheorghe BREZEANU, cel care m-a introdus n

lumea dispozitivelor pe carbur de siliciu i m-a sprijinit n mod constant pe toat perioada studiilor doctorale.

Mulumesc doamnei dr. Raluca MULLER, directorul general al IMT Bucuresti, pentru sfaturile i sugestiile

date cu ocazia evalurii rapoartelor tiinifice semestriale, ct i pentru asigurarea, n cadrul IMT Bucureti, a

unui mediu de lucru dotat cu faciliti moderne.

Doresc s mulumesc n mod special domnului fiz. Florea CRCIUNOIU care a fost tot timpul alturi de mine,

oferindu-mi sfaturi i sprijinindu-m n realizarea dispozitivelor pe carbur de siliciu.

De asemenea, doresc s mulumesc doamnei dr. Mihaela KUSKO pentru nelegerea i suportul acordat, ct i

pentru toate sfaturile constructive, pe care mi le-a oferit n perioada tezei de doctorat.

in s mulumesc domnului dr. Marian BDIL pentru sprijinul acordat n caracterizarea dispozitivelor

fabricate pe carbur de siliciu i interpretarea datelor obinute.

A dori, de asemenea, s mulumesc domnului dr. Mihai MIHILA i domnului ing. Viorel AVRAMESCU

pentru sprijinul acordat n caracterizarea capacitoarelor MOS pe carbur de siliciu ca senzori de hidrogen.

Doresc s mulumesc laboratorului de NanoBioTehnologii, din cadrul IMT Bucureti, precum i colegilor din

colectivul de cercetare pentru prietenia lor. Aici trebuie s menionez pe: Monica SIMION, Adina BOLDEIU,

Antonio RDOI, Mihai DNIL, Iuliana MIHALACHE, Melania BANU i Cosmin ROMANIAN.

Mulumesc n mod special prinilor mei care m-au sprijinit necondiionat pe toat perioada studiilor doctorale i

care, ntotdeauna au subliniat importana unei bune educaii.

Multumesc prietenei mele Raluca BANU i nu n ultimul rnd fratelui meu pentru suportul moral oferit i

ntelegerea de care au dat dovad pe toat durata programului de doctorat.


3

CUPRINS

INTRODUCERE ................................................................................................................................................... 4

CAPITOLUL 1- DISPOZITIVE PE CARBUR DE SILICIU ........................................................................ 5

1.1. CARBURA DE SILICIU. STRUCTURA CRISTALIN I PROPRIETI GENERALE DE

MATERIAL ....................................................................................................................................................... 5

1.2. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE PE SIC PENTRU APLICAII DIN DOMENIUL

SENZORILOR ................................................................................................................................................... 5

CAPITOLUL 2 - TEHNOLOGIA DE FABRICAIE A DISPOZITIVELOR PE SIC. CARACTERIZRI

ELECTRICE GENERALE .................................................................................................................................. 6

2.1. PROIECTAREA MTILOR FOTOLITOGRAFICE ............................................................................... 6

2.2. PREZENTAREA ETAPELOR TEHNOLOGICE COMUNE N REALIZAREA DISPOZITIVELOR PE

SIC FLUX TEHNOLOGIC COMUN ............................................................................................................. 8

2.3. DIODA SCHOTTKY. FLUX TEHNOLOGIC - CONTINUARE .............................................................. 9

2.4 CAPACITORUL MOS. FLUX TEHNOLOGIC CONTINUARE ...........................................................11

CAPITOLUL 3 - INTERFAA SiO2/SiC ..........................................................................................................12

3.1 METODA GRAY-BROWN ...................................................................................................................12

3.2 METODA CASTAGNE SI VAPAILLE COMPARAIA UNOR CARACTERISTICI C-V

OBINUTE LA FRECVEN JOAS (REGIM QUASI-STATIC), RESPECTIV FRECVEN NALT

..........................................................................................................................................................................13

CAPITOLUL 4 - CARACTERIZARE ELECTRIC A DEFECTELOR N OXIDUL DE POART AL

STRUCTURILOR MOS .....................................................................................................................................15

4.1. TESTE DE STRES N TENSIUNE ALE CAPACITORULUI MOS PENTRU ANALIZA

STRPUNGERII OXIDULUI DE POART ...................................................................................................15

4.2. TESTELE DE STRES N TEMPERATUR I TENSIUNE ....................................................................17

4.2.1. Analiza histerezisului caracteristicilor C-V la temperaturi nalte - determinarea tipului de

sarcin din oxidul de poart ..........................................................................................................................17

4.2.2 Determinarea tipului de sarcin din oxid prin aplicarea unui camp electric pozitiv, la

temperatur nalt, pe poarta capacitoarelor MOS realizate ....................................................................18

4.3 TESTE DE STRES LA CMPURI ELECTRICE DE POART INTENSE ..............................................19

CAPITOLUL 5 - SENZORI PE SIC PENTRU APLICAII N MEDII OSTILE ........................................21

5.1. DIODA SCHOTTKY PE SIC PENTRU SENZORI DE TEMPERATUR..............................................21

5.2. CAPACITORUL MOS PE SIC PENTRU SENZORI DE HIDROGEN ....................................................23

CONCLUZII ........................................................................................................................................................31

BIBLIOGRAFIE ..................................................................................................................................................39


4

INTRODUCERE

PREZENTAREA DOMENIULUI TEZEI DE DOCTORAT

Cercetrile teoretice i experimentale efectuate n domeniul microtehnologiei au cunoscut, ntr-un ritm alert,

progrese deosebite. n ultimii ani, dispozitivele de putere bazate pe Si s-au dezvoltat rapid, artnd o evoluie

impresionant n ceea ce privete reducerea energiei disipate. Cu toate acestea, o comutare ineficient a

dispozitivelor de putere, bazate pe Si, la tensiuni i cureni mari genereaz o semnificativ pierdere de energie.

Mai mult dect att, s-a demonstrat faptul c funcionarea dispozitivelor pe Si la o temperatur mai mare de

100C duce la degradri electrice serioase ale dispozitivului [1, 2]. O rezolvare ar fi introducerea unor sisteme de

rcire, care ns ar duce la creterea greutii i dimensiunii ntregului sistem. Pentru a depi acest inconvenient,

semiconductorii cu o band interzis larg, atrag atenia. Dintre toi semiconductorii de band larg, carbura de

siliciu (SiC) este cel mai promitor semiconductor care ar putea nlocui Si. Att banda interzis de valoare mare,

ct i concentraia foarte mic de purttori intrinseci permit dispozitivului semiconductor bazat pe SiC s

funcioneze la temperaturi mai nalte, fa de cele realizate pe semiconductorul clasic, Si. Astfel, folosind SiC,

dispoztivele de putere ar funciona la temperaturi nalte (>200C), cu o densitate de putere mai mare. n plus,

datorit conductivitii termice a SiC de valoare mare, acestea pot funciona fr a avea nevoie de sisteme

separate de rcire. Introducerea tehnologiei SiC, ca alternativ de nlocuire a Si, reprezint un argument evident

n realizarea dispozitivelor pentru aplicaii de nalt temperatur, datorit proprietilor deosebite ale acesteia.

SiC este un semiconductor cu band interzis larg, cu un cmp electric de strpungere de valoare mare, vitez

de saturaie a electronilor i conductivitate termic mari. n plus, SiC este singurul semiconductor de band larg

pe care se poate crete un oxid (SiO2) stabil, ns n condiii diferie fa de Si [3, 4]. Acest amnunt este deseori

prea uor trecut cu vederea, ns el reprezint cheia oricrei tehnologii semiconductoare, att din perspectiv

procesrii ct i din cea a posibilitii realizrii dispozitivelor metal-oxid-semiconductor (MOS) pe SiC.

SCOPUL TEZEI DE DOCTORAT

Scopul acestei teze este de a propune o structur adecvat i o tehnologie de fabricaie pentru dispozitive pe SiC

care s poat fi utilizate n aplicaii din domeniul senzorilor cu aplicaii n medii ostile.

n acest sens, s-a urmrit punerea la punct a unei tehnologii versatile, care s poat fi adaptat i optimizat

pentru dou tipuri de senzori: senzor de temperatur pe baz de structur tip diod Schottky, respectiv senzor de

gaz pe baz de structur tip capacitor MOS. n stabilirea parametrilor proceselor tehnologice s-a avut n vedere

c structurile acestea trebuie s funcioneze n medii ostile, caracterizate de temperatur nalt (cel puin 200C),

vibraii puternice, medii corozive, umiditate crescut.

n cazul diodelor Schottky pe SiC ca senzor de temperatur, o atenie special este acordat obinerii unui

contact metal-semiconductor stabil la temperaturi nalte prin formarea unui compus de tip siliciur la interfa.

Optimizarea unei tehnologii de fabricaie a capacitoarelor MOS pe SiC presupune, de asemenea, anumite etape

critice ale fluxului tehnologic. Posibilitatea creterii unui oxid de nalt calitate pe SiC reprezint un avantaj

important al acestui semiconductor. Acest proces necesit o atenie deosebit, deoarece performanele unui

capacitor MOS pe SiC depind foarte mult de calitatea oxidului crescut. Un obiectiv important n cadrul acestei

etape a fluxului tehnologic l reprezint obinerea unei interfee oxid / semiconductor de calitate nalt, cu o

densitate redus de stri la interfa. Tratamente termice post-oxidare n diferite atmosfere sunt n acest sens

propuse, fiind analizat influena lor asupra parametrilor structurilor experimentale. n plus, s-a avut n vedere

optimizarea rspunsului capacitoarelor MOS i se propune un design al dispozitivelor care s permit eliminarea

capacitilor parazite. Ca i n cazul diodelor Schottky, o etap critic a funcionrii acestora la temperaturi nalte

este ncapsularea structurilor pentru testare, fiind testate i analizate diferite soluii tehnologice.


5

CAPITOLUL 1

DISPOZITIVE PE CARBUR DE SILICIU

1.1. CARBURA DE SILICIU. STRUCTURA CRISTALIN I PROPRIETI GENERALE DE MATERIAL

Pentru dezvoltarea ulterioar de dispozitive, SiC prezint o serie de proprieti importante, ca de exemplu:

structura cristalin, politipuri, proprieti electrice.

Structura cristalin a SiC. Unitatea structural de baz a SiC este un tetraedru format din patru atomi de carbon (C) n coluri i unul de Si n centru, aa cum este ilustrat n Fig. 1.1 [5].

Fig. 1.1. Unitatea structural a SiC: patru atomi de carbon sunt legai covalent cu un atom de siliciu n centru. [6]

Distana dintre doi atomi de carbon este de 3.08 iar distana dintre un atom de C i unul de Si este de 1.89 .

Legtura Si-C este foarte puternic, att datorit distanei mici ntre atomi (de exemplu distana ntre atomi n

legatura Si-Si este de 2.35 ), ct i datorit hibridizrii sp3. SiC are mai mult de 200 de politipuri, mprite n

trei mari categorii cristalografice de baz: cubic (C), hexagonal (H) i romboedric (R). Toate politipurile au

un cadru hexagonal de straturi de SiC. Dintre toate politipurile existente, 4H-SiC este preferat datorit

proprietilor sale electronice, avnd cea mai mare band interzis i cea mai mare mobilitate a purttorilor.

1.2. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE PE SIC PENTRU APLICAII DIN DOMENIUL SENZORILOR

Din punctul de vedere al funcionrii la temperaturi nalte, senzorii pe Si au o comportare aproape similar cu cei

pe SiC, pn la o temperatur de 130C. n plus, senzorii pe SiC sunt ineri din punct de vedere chimic, au o

rezisten mecanic nalt i sunt capabili s funcioneze la temperaturi mai nalte, datorit benzii interzise mari,

a concentraiei intrinseci de purttori sczut i a conductivitii termice nalte. Avnd n vedere aceste

caracteristici, SiC este un foarte bun semiconductor pentru realizarea de dispozitive electronice i senzori care

s lucreze n medii ostile. n acest sens, s-au dezvoltat tehnologii de fabricaie, iar structurile test s-au

caracterizat realizndu-se o analiz a parametrilor electrici i propunndu-se optimizri ale procesului tehnologic

pentru: dioda Schottky ca senzor de temperatur, respectiv capacitor MOS ca senzor de gaz. Cercetarea

asupra acestor dispozitive are n vedere optimizarea proiectrii structurii, mbuntirea materialelor senzitive

prin diverse procese tehnologice i nelegerea mecanismelor de detecie n funcie de aplicaia dorit. Dioda

Schottky este un dispozitiv utilizat foarte des n domeniul senzorilor, datorit simplitii procesului de fabricaie.

Acesta poate funciona att ca senzor de temperatur, ct i ca senzor de gaz [7]. Funcionarea ca senzor de

temperatur se bazeaz pe polarizarea diodei la un curent constant, tensiunea direct avnd o variaie liniar cu

temperatura. n ceea ce privete aplicaia pentru senzor de gaz, metalul pentru formarea contactului Schottky

joac un rol crucial. Acesta are rolul de a detecta moleculele de gaz prin diferite schimbri de faz ale metalului,

n urma ptrunderii moleculelor de gaz n volumul su. Metalul cel mai utilizat pentru astfel de aplicaii n

domeniul senzorilor de hidrogen este Pd, datorit solubilitii mari pe care o are la hidrogen. n plus, a fost

demonstrat faptul c un aliaj format din PdNi, utilizat ca metal catalitic n realizarea dispozitivelor menionate,

asigur o stabilitate mai bun n ceea ce privete detecia de hidrogen. Aadar, Pd asigur o mai bun

selectivitate a moleculelor de H2, n timp ce Ni ncetinete schimbrile de faz ale Pd atunci se detecteaz

concentraii mai mari de H2 [8].


6

CAPITOLUL 2

TEHNOLOGIA DE FABRICAIE A DISPOZITIVELOR PE SIC. CARACTERIZRI

ELECTRICE GENERALE

Avnd n vedere aplicaia urmrit, de dezvoltare de senzori pentru aplicaii n medii ostile, proprietile electrice

ale SiC, descrise n capitolul anterior, rspund cerinelor pentru realizarea unor astfel de dispozitive. Dei sunt

nite dispozitive simple din punct de vedere al fabricaiei, att n cazul diodelor Schottky pe SiC, ct i al

capacitoarelor MOS pe SiC, sunt raportate o serie de probleme tehnologice care afecteaz puternic parametrii de

dispozitiv.

n aceast direcie s-au focalizat i cercetrile prezentate n teza de doctorat, i anume, pe studierea i

optimizarea proceselor tehnologice de fabricare a structurilor de tip diod Schottky pe SiC i capacitor MOS

pe SiC, care s funcioneze corect ca senzor de temperatur, respectiv ca senzor de gaz n ambele cazuri

urmrindu-se asigurarea funcionrii n condiii de temperatur nalt.

- n ceea ce privete dioda Schottky pe SiC, un pas tehnologic important n realizarea acestora o reprezint parametrii procesului termic rapid post-metalizare, care este necesar pentru realizarea unui

contact Schottky stabil la temperaturi nalte. Acest proces tehnologic are rolul de a transforma metalul depus

(n cazul nostru Ni) ntr-un compus ce asigur o mai mare stabilitate la temperaturi nalte. Acest compus este

siliciura de Ni i exist sub mai multe faze (NixSix). Pentru obinerea unui contact Schottky ct mai uniform,

procesul termic rapid post-metalizare depinde de anumii factori, i anume: temperatur, timp i atmosfera n

care se face tratamentul. n plus, grosimea metalului joac un rol foarte important n realizarea unui contact

Schottky uniform, deoarece reacia acestuia cu substratul SiC nu este aceeai la grosimi diferite pentru o

temperatur constant. Analiza micro-fizica a acestor tratamente a fost realizat prin difracie de raze X, care

a permis obinerea principalelor informaii legate de reacia Ni-ului cu SiC.

- Pe de alt parte, realizarea experimental a capacitorului MOS pe SiC se confrunt cu o serie de etape tehnologice care trebuie verificate n mod deosebit. Ca i Si, SiC este un semiconductor pe care se poate

crete un oxid (SiO2) cu o calitate promitoare pentru realizarea unui sistem MOS. Spre deosebire de SiO2-

ul crescut pe Si, acesta este obinut pe SiC n condiii puin diferite n ceea ce privete timpul i temperatura

procesului de cretere. Obinerea unui oxid de calitate nalt presupune fixarea unor parametrii de proces

care s asigure creterea unui oxid cu rezistivitate ct mai mare, fr a introduce alte impuriti care ar putea

afecta proprietile sale izolatoare. Creterea unui strat de SiO2 pe SiC depinde de urmtorii parametri:

temperatur, atmosfera n care are loc oxidarea i timpul procesului. Interfaa oxid/semiconductor reprezint

o alt problem de care trebuie s se in cont ntr-un sistem MOS. n cazul unui sistem SiO2/SiC, densitatea

strilor de interfa este mai mare cu aproximativ dou ordine de mrime fa de SiO2/Si. Acest inconvenient

este cauzat de apariia legturilor nesaturate Si-C, de atomii de C nereactionati n urma ruperii legturii Si-C

i de prezena vacanelor de oxigen din imediata vecintate a interfeei SiO2/SiC. innd cont de aceste

aspecte, diferite procese tehnologice au fost dezvoltate pentru reducerea densitii de stri de la interfaa

SiO2/SiC.

n acest capitol va fi prezentat tehnologia de realizare a celor dou dispozitive pe SiC, fluxul tehnologic i

mtile fotolitografice corespunztoare, respectiv procesele tehnologice de fabricaie i caracterizrile electrice

generale ale dispozitivelor realizate, analizndu-se principalii parametri extrai pentru fiecare dispozitiv n

parte.

2.1 PROIECTAREA UNUI SET DE MTI FOTOLITOGRAFICE COMUN PENTRU REALIZAREA

DIODELOR SCHOTTKY I CAPACITOARELOR MOS PE SIC

S-a avut n vedere ca mtile fotolitografice s fie utilizabile pentru ambele dispozitive realizate pe SiC. S-a

optat pentru proiectarea unor arii active cu diametre diferite: 200, 300, respectiv 400 m pe mtile

fotolitografice, pentru a putea selecta dimensiunea optim (raportul densitii de defecte la sensibilitatea de

msur s fie ct mai bun). n plus, sunt asigurate i densiti de curent diferite ale diodelor Schottky pe SiC. n

cazul capacitorului MOS pe SiC valorile capacitilor active sunt mult mai mari n raport cu capacitile parazite

introduse de pad-uri.

n continuare, se va prezenta n paralel proiectarea noului set de mti fotolitografice pentru fabricaia att a

diodelor Schottky, ct i a capacitoarelor MOS pe SiC.


7

- pentru definirea ariilor active ale dispozitivelor pe SiC (deschiderea ferestrelor n oxidul de cmp) s-a proiectat o masc fotolitografic ce conine structuri cu o configuraie circular, avnd diametre diferite:

200, 300, respectiv 400 m. n Fig. 2.1 este ilustrat masca fotolitografic cu rol comun pentru definirea

ariilor active, att a diodelor Schottky, ct i a capacitoarelor MOS pe SiC.

Fig. 2.1 Masc fotolitografic pentru definirea ariilor active att a diodelor Schottky, ct i a capacitoarelor MOS pe SiC

Aceast masc fotolitografic a fost proiectat i realizat pentru utilizarea unui fotorezist pozitiv, zonele

colorate fiind transparente, iar aria alb opac. n cazul capacitoarelor MOS, n aceste ferstre deschise se va

crete oxidul MOS, prin oxidare termic uscat.

- pentru definirea metalului catalitic, respectiv metalului pentru formarea contactului Schottky. Astfel, masca numrul 2 are rolul de a delimita i reine metalul catalitic/Schottky pe suprafaa activ i este

ilustrat n Fig. 2.2. Diametrul ferestrelor circulare este cu 50 m mai mare, pentru a acoperi n totalitate

oxidul activ i a lua anumite msuri de siguran n cazul unei supracorodari a oxidului de pasivare.

Fig. 2.2 Masc fotolitografic pentru definirea metalului catalitic, respectiv a metalului pentru formarea contactului

Schottky

Aceast masc a fost proiectat i realizat n dou variante, att pentru cazul n care metalul se depune pe

ntreaga suprafa a plachetei i apoi se delimiteaz prin corodare, ct i pentru tehnica lift-off.

- pentru realizarea pad-urilor de contactare a fost proiectat masca cu numrul 3, ce are rolul de a defini geometria acestora. Pentru definirea pad-urilor s-au proiectat mti fotolitografice diferite, fiind ilustrate n

Fig. 2.3.

(a) (b)

Fig. 2.3 Mti fotolitografice pentru definirea pad-urilor pentru diodele Schottky (a), respectiv capacitoarelor MOS (b)

pe SiC


8

n cazul pad-urilor de contactare ale diodelor Schottky pe SiC, acestea sunt realizate prin definirea unui

sandwich metalic (Cr/Au) pe ntreg cipul unei diode Schottky. Astfel, firul de Au poate fi lipit oriunde pe aceast

arie, favoriznd procesul de incaspulare. Pe de alt parte, n cazul capacitoarelor MOS, dimensiunea pad-urilor

conteaz foarte mult, deoarece pot introduce capaciti parazite ce pot afecta funcionarea electric a

dispozitivului MOS. n acest sens, s-au proiectat pad-uri cu dimensiuni mult mai mici n raport cu metalul definit

n aria activ a capacitorului MOS. ns, pentru a elimina chiar i capacitile parazite foarte mici introduse de

aceste paduri, pe masc au fost prevzute o serie de structuri alturate cu dimensiuni identice, aa cum se poate

observa n Fig. 2.3 (b), unde metalul de contactare este eliminat, lsnd metalul catalitic expus influenei gazelor

de analizat.

2.2 PREZENTAREA ETAPELOR TEHNOLOGICE COMUNE N REALIZAREA DISPOZITIVELOR PE SIC

FLUX TEHNOLOGIC COMUN

Att dioda Schottky, ct i capacitorul MOS au fost realizate pe acelai tip de substrat, respectiv 4H-SiC, de tip

n. Acesta conine un strat epitaxial cu o grosime de aproximativ 8 m i o concentraie de purttori de 2.071016

cm-3. n schimb, substratul este dopat puternic, avnd o concentraie de purttori de oridinul 1018 cm-3. Structurile

celor dou dispozitive prezint caracteristici similare din punct de vedere al tehnologiei de fabricaie.

Propunerea unui flux tehnologic care se bazeaz pe etape comune ale procesului de realizare i, mai mult, pe

mti fotolitografice comune, conduce la reducerea semnificativ a costurilor de fabricaie. n plus, pe lng

reducerea costurilor de fabricaie, se ctig i foarte mult timp, pentru punerea la punct a unor procese

tehnologice individuale.

n continuare este realizat o prezentare detaliat a etapelor tehnologice de fabricare a structurilor test:

Curarea chimic a plachetelor de SiC Formarea contactului ohmic depunere Ni/Cr pe spatele plachetelor, urmat de un tratament termic

rapid post-metalizare pentru obinerea unei siliciuri de Ni

Depunerea unui strat de SiO2 pentru pasivarea suprafeei plachetelor de SiC Definirea ariilor active n oxidul de cmp prin procese de fotogravur

O atenie deosebit s-a acordat corodrii oxidului de cmp. Acest proces s-a realizat utiliznd o soluie chimic compus din fluorur de amoniu i acid acetic (NH4F:CH3-COOH = 2:1). n

urma acestei corodri s-a obinut un profil tip ramp n oxidul de cmp, care este ilustrat n

Fig. 2.4 cu ajutorul unei analize de microscopie de for atomic (AFM).

(a)

(b)

Fig. 2.4 Imgini AFM ale ferestrelor deschise n oxidul de cmp, ilustrnd configuraia cu profil de ramp: (a) vedere n

seciune; (b) vedere de sus

S-a ales aceast configuraie datorit eficienei sale n ceea ce privete reducerea efectelor negative introduse de stresul aplicat de cmpul electric de la marginea contactului cu metalul

[9]. n Fig. 2.5 este ilustrat o imagine obinut cu ajutorul microscopiei electronice de baleiaj

(SEM) n care se evideniaz apariia a dou rampe n urma corodrii oxidului de cmp.


9

Fig. 2.5 Imagine SEM ce evideniaz profilul de ramp obinut n oxidul de camp

Dup cum se observ, prima ramp, din imediata vecintate a ariei active este foarte sczut, avnd un unghi mic (4.5). Ea are rolul de a asigura o distribuie a densitii de curent ct mai

uniform i de a elimina posibile aglomerri ale liniilor de cmp la marginea contactului cu

metalul [79]. Acest profil n ramp este utilizat att pentru realizarea diodelor Schottky, ct i a

capacitoarelor MOS pe SiC.

Etapele tehnologice descrise pn n acest moment sunt comune n fluxul tehnologic de realizare al celor dou

dispozitive. Deoarece capacitorul MOS presupune prezena unui oxid ntre metalul de poart i SiC, plachetele

procesate sunt mprite n loturi diferite. n acest sens, n continuare se vor discuta separat etapele fluxului

tehnologic de realizare al celor dou dispozitive pe SiC.

2.3. DIODA SCHOTTKY. FLUX TEHNOLOGIC - CONTINUARE

Realizarea contactului Schottky prin tratamente termice rapide post-metalizare

Dup realizarea profilului de ramp n oxidul de cmp, s-a depus un film subire de Ni (150 nm). Acesta a fost

definit n ferestrele deschise n oxidul de cmp printr-un proces de fotogravur. Obinerea unui contact Schottky

stabil la temperaturi nalte este condiionat de un tratament termic rapid post-metalizare. n acest sens, s-au

realizat mai multe loturi, aplicnd diferite tratamente termice Ni-ului depus pe SiC. Astfel, primele contacte

Schottky Ni/4H-SiC au suferit un tratamet termic post-metalizare la o temperatur de 500C, n atmosfer de Ar

[10]. Pentru a vedea felul n care tratamentul termic afecteaz cristalinitatea stratului metalic, s-a fcut i o

analiz de difracie de raxe X nainte i dup acest tratament. Msurtorile au fost realizate utiliznd

difractometrul SmartLab Rigaku ce aparine IMT Bucureti. Spectrele de difracie au fost obinute prin metoda

unghiului de inciden standard. n Fig. 2.6 sunt suprapuse cele dou pattern-uri de difracie obinute pentru Ni,

nainte (negru) i dup (Rou) tratamentul termic.

20 30 40 50 60 70 80 90 100

500

1000

5000

10000

50000

NiO

(220)NiO(220)

(200)

(111)

NiO

Ni(222)

Ni(311)

Ni(220)Ni(200)

I

[cp

s]

2-theta [o]

Inainte

Dupa

Ni(111)

Amorphous

Ni

Fig. 2.6 Difractograme de raze X nregistrate nainte i dup tratamentul termic al stratului de Ni depus pe SiC

Se poate observa c, nainte de tratamentul termic rapid, apare o faz amorf a Ni-ului la 2 = 21.5. Dup

realizarea procesului termic, intensitatea de difracie crete, ceea ce nseamn o cristalinitate mai bun a

straturilor de Ni. n plus, analiza datelor obinute n urma msurtorilor de difracie de raze X, a permis

calcularea dimensiunii medii de cristalit n stratul metalic. Apare o cretere a dimensiunii de cristalit a Ni-ului de

la 52 la 217 , ceea ce duce la o mbuntire considerabil a structurii cristaline. Un al doilea lot de structuri

test a fost supus unui tratament termic post-metalizare al contactului Schottky Ni/4H-SiC realizat la temperatura

de 600 C [11], celelalte condiii rmnnd identice. Acest tratament a condus la imbunatiri semnificative ale

performanelor electrice n ceea ce privete senzorul de temperatur. Valoarea barierei Schottky a crescut cu mai

mult de 0.5 eV la aceeai temperatur de msur. Pentru obinerea unui contact Schottky uniform, ce const n

formarea unei faze stabile a siliciurii de Ni (Ni2Si), a fost demonstrat necesitatea creterii temperaturii la care se

realizeaz procesul termic [12]. Astfel, diverse tratamente termice ale contactului Ni/4H-SiC au fost realizate la


10

temperaturi de 700 C, timp de 10 minute, respectiv 800 C, timp de 8 minute, ambele realizate n atomesfera de

Ar [13]. n cazul tratamentului termic la temperatura de 700 C au fost obinute caracteristici I-V care conduc la

calculul a dou bariere Schottky. Acest fapt este datorat neuniformitilor contactului Schottky, create n timpul

tratamentului termic incomplet pentru realizarea siliciurii de Ni pe ntreaga suprafa a contactului Schottky. S-a

observat c, odat cu creterea temperaturii de proces, Ni-ul reacioneaz i mai mult cu SiC, ducnd la formarea

unui contact Schottky mai uniform. Astfel, caracteristicile I-V au condus la calculul unei singure bariere

Schottky, i mai mult aceasta prezint o variaie mic, cuprins ntre 1.46-1.52 eV, cu temperatura de msur a

diodelor (25-125C). Un contact Schottky Ni/4H-SiC stabil, care s reziste n aplicaiile la temperaturi nalte

(450C), a fost obinut n urma unui tratament termic post-metalizare la o temperatur de 800 C, timp de 8

minute, n atmosfer de azot [14]. Acest contact stabil este definit printr-o barier Schottky cu o valoare aproape

constant n intervalul de temperatur 25 450C. n Fig. 2.7 se prezint difractograma de raze X

corespunztoare:

30 40 50 60 70100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

(510)

(312)

(212)

(311)

(002)

(121)

(220)

(021)

(310)

(211)

(11

1)

I [c

ps

]

[]

Ni2Si

(210)

Fig. 2.7 Difractograma de raze X pentru evidenierea formrii Ni2Si pe ntreaga suprafa a contactului

Schottky

n analiza de raze X, se observ formarea unei singure faze a siliciurii de Ni, i anume Ni2Si, un compus foarte

stabil la temperaturi nalte.

Definire pad-uri depunere Cr/Au ncapsularea dispozitivelor finale reprezint o etap foarte important n ceea ce privete funcionarea

la temperaturi ridicate (> 200 C). Avnd n vedere c diodele Schottky vor fi testate la o temperatur mai mare

de 400C, acestea pot avea un randament sczut n condiiile n care procesul de ncapsulare nu este fiabil. Acest

proces cuprinde o serie de etape critice, printre care cea mai important este contactarea/lipirea cipului de

ambaza capsulei. Modificarea parametrilor senzorului n timpul funcionrii la temperaturi de 400 - 450C este

cauzat, n majoritatea situaiilor practice, de degradarea capsulei i conexiunilor terminale-capsula [15]. Pentru

ncapsularea diodelor Schottky, realizate n vederea utilizrii lor ca senzor de temperatur, s-a folosit modelul de

capsul TO39, care are att ambaza ct i cele dou terminale izolate de aceasta, aurite. Conectarea din punct de

vedere electric a cipului cu ambaza se realizeaz n mai multe moduri:

lipirea chip-ului (spatele) direct pe ambaza aurit cu o past de Ag pentru temperatur sczut: T < 200C;

lipirea chip-ului direct pe ambaza aurit cu o past de Ag pentru temperatur ridicat: T = [400 - 500C];

lipirea chip-ului prin eutectic Au-Au; lipirea chip-ului cu aliaj AuIn.

n Fig. 2.8 este ilustrat modul de conectare a unui chip de diod Schottky pe SiC la o capsul TO39, unde unul

dintre terminale a fost conectat la anodul diodei Schottky, iar cellalt a fost lsat liber.

Fig. 2.8 Dioda Schottky pe SiC lipit pe ambaza capsulei TO39.


11

Catodul diodei este conectat direct la ambaz. Anodul diodei Schottky pe SiC se contacteaz prin intermediul

unui fir de aur cu o grosime de 25 m, la terminalul aurit al ambazei.

2.4. CAPACITORUL MOS. FLUX TEHNOLOGIC CONTINUARE

Creterea unui oxid termic n atmosfer de oxigen uscat - n ferestrele deschise n oxidul de cmp depus s-a crescut un oxid subire n atmsofera uscat de oxigen. Plachetele de SiC au fost inute la o temperatur

de 1100 C, timp de 2 ore. n urma acestui proces de oxidare termic s-a obinut o grosime de aproximativ 30

nm, valoare confirmat de msurtori capacitate-tensiune (C-V). Acesta este de fapt oxidul activ al dispozitivului

MOS peste care se va defini un electrod metalic de poart.

Tratamente termice post-oxidare pentru mbuntirea calitii oxidului i interfeei SiO2/SiC. Pentru mbuntirea att a calitii oxidului crescut pe SiC, ct i a interfeei SiO2/SiC, dou tratamente termice

post-oxidare au fost propuse i efectele lor asupra calitii structurilor au fost comparate:

Rapid Thermal Annealing (RTP) - N2 (N2) structuri n care oxidul crescut a fost supus unui tratament termic rapid n atmosfer de N2 la o temperatur de 1100C, timp de 6 minute.

"POCl3 Thermal Annealing " - structuri n care oxidul a fost supus unui tratament termic la o

temperatur de 1000C, timp de 30 de minute, n atmosfer de POCl3.

Definirea electrodului de poart al capacitoarelor MOS pe SiC. Depunere metal catalitic.

Pentru realizarea electrodului de poart al capacitoarelor MOS s-a depus un film subire de Pd, cu o grosime de

aproximativ 50 nm. Acesta a fost depus prin sputtering (metoda pulverizrii catodice) i definit printr-un proces

de fotogravur peste oxidul crescut pe SiC.

Definirea pad-urilor capacitoarelor MOS pe SiC depunere si definire Cr/Au.

ncapsularea capacitoarelor MOS pe SiC.

Metodele descrise anterior pentru ncapsularea diodelor Schottky pe SiC pot fi aplicate cu succes i n cazul

ncapsulrii capacitoarelor MOS pe SiC, iar n Fig. 2.9 este prezentat imaginea optic a unui capacitor MOS

ncapsulat ntr-o capsul de tip TO39, utiliznd tehnologia lipirii firului de Au.

Fig. 2.9 ncapsularea capacitorului MOS pe SiC utiliznd o capsul de tip TO39

Structurile circulare identice care se observ n imaginea optic reprezint capacitorul MOS senzor, cea din

partea dreapt, identificabil prin stratul de Pd din zona activ, respectiv capacitorul proiectat pentru eliminarea

capacitii parazite introdus de pad, n partea stng. Pentru contactarea electrodului de pe faa structurii MOS

s-a utilizat tehnologia lipirii firului de Au. Spatele chip-ului, reprezentnd cel de-al doilea electrod al

capacitorului MOS, a fost conectat la capsul prin una din cele 4 metode descrise anterior. Structura din partea

stng a fost conectat la cel de-al treilea pin al capsulei, metalul fiind depus direct pe oxidul de cmp.


12

CAPITOLUL 3

INTERFAA SiO2/SiC

Un proces termic post-oxidare al oxidului crescut pe SiC reprezint un pas important n realizarea unui capacitor

MOS pe SiC stabil. Proprietile electrice ale unei interfee SiO2/SiC sunt afectate de o valoare mare a densitii

de stri de la interfa. Aceste defecte, active din punct de vedere electric, sunt reprezentate de diferite

aglomerri ale atomilor de C la suprafaa SiC [16, 17] i de legturile triple de oxicarburi de siliciu (SiCxOy)

[18], aprute la interfa n timpul procesului de cretere a oxidului pe SiC. Acestea din urm sunt considerate a

fi principala surs responsabil cu creterea semnificativ a densitii strilor de la interfaa SiO2/SiC [19, 20].

Compuii SiCxOy se formeaz instant la suprafaa SiC, atunci cnd placheta de SiC intr n contact cu aerul [21].

Aceti compui sunt ineri din punct de vedere chimic, neputnd fi ndeprtai printr-o simpl corodare umed.

n continuare, se vor prezenta caracterizrile electrice pentru cele 3 tipuri de capacitoare MOS pe SiC, fiind

denumite n urmtorul mod:

AO reprezint capacitorul MOS pe SiC al crui oxid nu a fost supus nici unui tratament termic post-oxidare;

N2 reprezint capacitorul MOS pe SiC al crui oxid a fost supus tratamentului termic post-oxidare n atmosfer de azot;

POCl3 reprezint capacitorul MOS pe SiC al crui oxid a fost supus tratamentului termic post-oxidare n atmosfer de oxiclorur de fosfor;

Capacitoarele MOS pe SiC au fost caracterizate electric att direct pe plachet, ct i dup ncapsulare, utiliznd

echipamentul Keithley 4200-SCS. Toate curbele capacitate-tensiune (C-V) au fost obinute polariznd structurile

de test din zona de acumulare spre golire adnc (deep depletion). Setup-ul de msur standard a fost adaptat

astfel nct s determinm strile de la interfaa SiO2/SiC, distribuite pe nivele energetice n banda interzis a

SiC, pn la 0.6 eV sub banda de conducie, utiliznd doua metode.

3.1 METODA GRAY-BROWN

Aceast metod presupune realizarea unor msurtori C-V, nregistrate la frecvene nalte (f = 1 MHz), dar la

temperaturi joase, de la azot lichid (80 K) la temperatura camerei (300 K), cu un pas de temperatur de 20 K.

Datele astfel obinute, constnd n caracteristici capacitate-tensiune-temperatura (C-V-T), sunt utilizate pentru

determinarea densitii strilor de la interfaa SiO2/SiC (Dit). Acestea sunt distribuite pe nivele energetice din

imediata vecintate a benzii de conducie (Ec) a SiC, pn la 0.2 eV sub minimul acesteia. Astfel, pentru a realiza

aceste msurtori, la diferite temperaturi n intervalul 80-300 K, a fost necesar plasarea structurilor ncapsulate

ntr-un criostat de tip Janis VPF 100 Cryostat, n care temperatura este reglat utiliznd controlerul de

temperatur LakeShore. ntregul sistem a fost conectat la un echipament de caracterizare electric a

dispozitivelor semiconductoare, Keithley 4200 SCS.

n Fig. 3.1 sunt prezentate caracteristicile C-V-T obinute la frecven de 1 MHz, pentru cele trei tipuri de

structuri analizate (notate AO, N2, POCl3):

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

C/C

OX

V (V)

AO

300K

80K

Ti-T

i+1= 20K

(a)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Ti-Ti+1= 20K

C/C

OX

V (V)

300K

80K

N2

(b)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 60.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Ti-Ti+1= 20K

C/C

OX

V (V)

300K

80K

POCl3

(c)

Fig. 3.1 Caracteristici C-V -T pentru cele 3 tipuri de capacitoare MOS pe SiC: (a) AO; (b) N2; (c) POCl3

Aa cum se observ n Fig. 3.1 (a), curbele C-V ale probei AO sunt deplasate ctre tensiuni mai mari odat cu

scderea temperaturii, indicnd o cretere a tensiunii de benzi netede (VFB). n plus, valoarea lui Dit crete pe

msur ce nivelele energetice asociate strilor de interfa se apropie de banda de conducie a SiC [22, 23].

Comparnd proba N2 cu proba AO, ilustrat n Fig. 3.1 (b), se observ c pentru capacitorul MOS, al crui oxid

a fost tratat termic n atmosfer de N2, are loc o reducere a shift-ului dintre caracteristicile C-V-T, fapt ce

presupune o reducere a Dit. Mai mult, n cazul probei POCl3, caracteristicile sunt aproape suprapuse cu scderea

temperaturii de msur, ceea ce nseamn c tensiunea de benzi netede este aproape constant i asigur o bun

stabilitate a capacitorului MOS. n plus, aceast comportare semnaleaz o reducere substanial a Dit.


13

Conform metodei Gray-Brown, nivelul Fermi este mpins ctre marginea benzii de conducie a SiC odat cu

scderea temperaturii, ducnd la apariia unui shift al caracteristicii C-V. Prin urmare, densitatea strilor de la

interfaa SiO2/SiC (Dit) poate fi estimat conform relaiei [24]:

( ) =(

+1 )

(+1

) (3.1)

n aceast relaie, Ec-Et este nivelul mediu de energie al strilor de interfa, iar Ti+1 < Ti sunt dou temperaturi

consecutive de msur.

Valoarea diferenei Ec-Et poate fi calculat conform relaiei [25]:

=(

+1) + ( )

2

(3.2)

Distribuia densitii strilor de la interfaa SiO2/SiC este ilustrat n Fig. 3.2, pentru toate cele 3 tipuri de

capacitoare MOS pe SiC. Valorile pentru Dit au fost calculate cu ajutorul ecuaiei (3.1), utiliznd att variaia

tensiunii de benzi netede cu temperatura, ct i deplasarea nivelului Fermi spre banda de conducie atunci cnd

temperatura de msur scade pn la T = 80 K.

0.04 0.08 0.12 0.16 0.20

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0 AO

N2

POCl3

Dit (1

x1

01

3 c

m-2e

V-1)

Ec-Et (eV)

Fig. 3.2 Densitatea strilor de interfa distribuit sub banda de conducie (Ec-Et


14

comparaia celor dou caracteristici HF vs. QS, Dit poate fi estimat.

=

(

1

1 )

(3.3)

Aa cum se poate observa n Fig. 3.3, diferenele dintre caracteristicile la nalt frecven, respectiv n regim

quasi-static sunt evidene n zona de golire a caracteristicilor C-V.

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 80.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Golire adanca

AOHF

AOQS

N2HF

N2QS

POCl3HF

POCl3QSC

/CO

X

V (V)

Golire

Fig. 3.3 Caracteristici C-V la nalt frecven, respectiv n regim quasi-static pentru toate cele 3 tipuri de capacitoare MOS

Se observ o diminuare a siftului dintre caracteristicile la nalt frecven, respectiv quasi-static, n urma

diferitelor tratamente termice post-oxidare. Aceast reducere a diferenei dintre caracteristici duce la o diminuare

a densitii strilor de la interfaa SiO2/SiC conform ecuaiei (3.3). Reprezentarea grafic pentru distribuia

densitii strilor de interfa pe nivele mai adnci sub banda de conducie este ilustrat n Fig. 3.4.

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4 AO

N2

POCl3

Dit (1

x1

01

2 c

m-2e

V-1)

Ec-Et (eV)

Fig. 3.4 Distribuia densitii strilor de interfa, pe nivele mai adnci sub banda de conducie a SiC

Se observ o reducere semnificativ a densitii strilor de la interfaa SiO2/SiC, cu mai mult de un ordin de

mrime, n urma unui tratatment termic post-oxidare n atmosfer de POCl3. Efectul fosforului n timpul unui

tratament termic post-oxidare, asupra densitii strilor de la interfaa SiO2/SiC, este bazat pe pasivarea

defectelor introduse de ruperea legturii Si-C n timpul oxidrii termice. Astfel, un atom de fosfor poate substitui

pn la 3 atomi de C, ndeprtnd strile de interfa asociate acestora [28]. Rezultate similare, de reducere a

densitii de stri de la interfaa SiO2/SiC, au fost obinute n urma tratamentului termic post-oxidare n

atmosfer de azot (proba N2), date n acord cu observaiile din literatur [29]. n acest caz, diminuarea

densitii este mai redus, ns are valori comparabile cu cea de la proba POCl3 pe nivele mai adnci de energie

sub banda de conducie. Avantajul metodei propuse de noi const n timpul redus al tratamentului, fiind de

fapt un tratament termic rapid (RTA), ceea ce diminueaz costul de producie al senzorilor.

n Fig. 3.5 este ilustrat densitatea strilor de la interfaa SiO2/SiC obinut prin ambele metode descrise anterior:

din caracteristici C-V la temperaturi diferite n intervalul [80-300] K i msurtori C-V succesive la nalt

frecven, respectiv n regim quasi-static. Insetul din Fig. 3.5 relev o scdere semnificativ a densitii totale

strilor de interfa pe msura tratamentelor termice post oxidare n diferite atmosfere.


15

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

1E10

1E11

1E12

1E13

1E14

1011

1012

1013

Dto

t (cm

-2e

V-1)

AO N2

POCl3

2.43E121.75E12

2.27E11

AO

N2

POCl3

Dit (cm

-2e

V-1)

Ec-E

t (eV)

Fig. 3.5. Distribuia densitii strilor de interfa n intervalul [0.05-0.6] eV sub banda de conducie a

SiC

Densitatea total a strilor de la interfaa SiO2/SiC a fost calculat pentru toate cele 3 tipuri de capacitoare MOS,

integrnd pe ntreg domeniul cuprins ntre 0.05 eV i 0.6 eV sub banda de conducie:

=

0.6

0.05

( )( ) (3.4)

unde:

Ec reprezint banda de conducie a SiC, iar

Et reprezint nivelul de energie al strilor de la interfaa SiO2/SiC.

Aadar, n cazul capacitorului MOS pe SiC AO, densitatea total a strilor de interfa are o valoare de 2.43 x

1012 cm-2 eV-1, aceasta scznd pe msura diferitelor tratamente termice post-oxidare. Tratamentul termic rapid

efectuat n atmosfer de azot a condus la o reducere a densitii totale a strilor de interfa pn la o valoare de

1.75 x 1012 cm-2eV-1. O reducere consistent este observat n cazul probei POCl3, densitatea total a strilor

fiind redus cu mai mult de un ordin de mrime, mai exact pn la o valoare de 2.27 x 1011 cm-2 eV-1.

Potrivit rezultatelor obinute, putem spune c un tratament termic post-oxidare n atmosfer de POCl3, la o

temperatur de 1000C, timp de 30 de minute, a reprezentat o soluie tehnologic benefic pentru mbuntirea

perfomantelor electrice ale capacitoarelor MOS pe SiC realizate. O reducere a densitii strilor de la interfaa

SiO2/SiC, cu mai mult de un ordin de mrime, conduce la avantaje importante n realizarea unor dispozitive de

tip MOS. Pe lng stabilitatea caracteristicilor electrice, oferit la diferite temperaturi de msur ale

capacitoarelor MOS pe SiC, aceast soluie tehnologic poate fi aplicat i n cazul fabricaiei unor tranzistoare

MOS cu efect de cmp, fiind direct implicat n creterea mobilitii purttorilor prin canal [30].


16

CAPITOLUL 4

CARACTERIZARE ELECTRIC A DEFECTELOR N OXIDUL DE POART ALE

STRUCTURILOR MOS

n acest capitol se vor prezenta cteva tehnici de caracterizare electric ale oxidului crescut pe SiC, punnd n

eviden efectul tratamentelor termice post-oxidare n atmosfer de azot (N2), respectiv oxiclorur de fosfor

(POCl3).

4.1. TESTE DE STRES N TENSIUNE ALE CAPACITORULUI MOS PENTRU ANALIZA STRPUNGERII

OXIDULUI DE POART

Trecerea curentului printr-un sistem de tip MOS poate fi n general descris de mecanismul de tunelare. La

cmpuri electrice mari, purttorii pot tunela prin banda interzis a oxidului, conform mecanismului Fowler-

Nordheim, procesul fiind studiat intensiv n cazul structurilor MOS pe Si [31,32]. Acest fenomen de tunelare

poate oferi informaii importante privind fiabilitatea oxidului. Astfel, micarea purttorilor poate crea diferite

defecte n oxid sau la interfaa metal/oxid, uneori ajungndu-se la distrugerea final a dispozitivului MOS prin

strpungerea oxidului.

Pentru a verifica acest mecansim de tunelare (Fowler Nordheim) s-au fcut msurtori electrice curent-

tensiune (I-V) pe toate cele 3 tipuri de capacitoare MOS pe SiC. Structurile au fost polarizate n direct, crescnd

progresiv tensiunea pe poart pn la observarea unei creteri brute a curentului, care indic strpungerea

distructiv a oxidului de poart. Caracteristicile densitate de curent funcie de cmpul electric aplicat (J-E) sunt

prezentate n Fig. 4.1.

0 2 4 6 8 10 12 1410

-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

102

De

nsi

tate

a d

e c

ure

nt, J

FN (

A/c

m2)

Campul electric aplicat, Eox

(MV/cm)

AO

N2

POCl3

curent rezidual

Camp electric de strapungere

Fig. 4.1. Caracteristici J-E ale capacitoarelor MOS pe SiC

Fig. 4.1. evideniaz variaia densitii de curent n funcie de cmpul electric aplicat pe poarta capacitorului

MOS pe SiC. n cazul probei AO, densitatea de curent se menine constant pn la o valoare de aproximativ 4.5

MV/cm a cmpului electric aplicat, avnd valori de ordinul nA/cm2. Aceasta crete odat cu cmpul electric

aplicat, avnd valori de ordinul 10-5-10-4 A/cm2 pn la valori ale cmpului electric aplicat de aproximativ 6.3

MV/cm. Valoarea densitii de curent demonstreaz c strpungerea distructiv a oxidului nc nu a avut loc la

aceste valori ale cmpului electric i c domin fenomenul de tunelare de tip Fowler Nordheim. O cretere

brusc a densitii de curent este observat n jurul valorii de 6.8 MV/cm a cmpului electric aplicat, avnd ca

rezultat strpungerea distructiv a capacitorului MOS. n ceea ce privete proba tratat n N2, se observ o

cretere a densitii de curent la un cmp electric aplicat mic, n jurul a 3.3 MV/cm. Pe de alt parte, fenomenul

de tunelare are loc pe un domeniu mai larg de cmpuri electrice aplicate, atingnd o valoare de aproximativ 7-8

MV/cm la un nivel de densitate de curent de ordinul 10-5 - 10-4 A/cm2. O mbuntire semnificativ a calitii

oxidului este observat la proba tratat n atmosfer de POCl3, prezentnd cureni reziduali de ordinul nA/cm2

pn la cmpuri electrice aplicate de 7 MV/cm. Cmpuri electrice aplicate de peste 10 MV/cm redau densiti de

curent prin oxidul MOS de ordinul 10-5- 10-4 A/cm2. Cmpul electric de strpungere al oxidului are o valoare de

peste 12 MV/cm, o valoare aproape dubl fa de cea a oxidului netratat (proba AO). Pentru determinarea

barierei de potenial dintre SiO2 i SiC (b) s-a utilizat formalismul Fowler -Nordheim i n acest sens s-a

reprezentat n scal logaritmic denstitatea de curent ce trece prin oxidul MOS raportat la ptratul cmpului

electric aplicat, (

2 )n funcie de inversul cmpului electric aplicat, 1/Eox. Prin fitarea zonei liniare a acestei

curbe cu o ecuaie de gradul nti rezult b. n Fig. 4.2 sunt reprezentate caracteristici Fowler Nordheim

obinute din msurtori I-V, pentru cele 3 tipuri de capacitoare MOS pe SiC.


17

0.08 0.12 0.16 0.20

-50

-45

-40

-35 AO

N2

POCl3

ln (

J/E

2)

1/E (cm/MV) Fig. 4.2. Reprezentare Fowler-Nordheim pentru determinarea barierei de potenial de la interfaa oxidului cu SiC

n urma analizei Fowler-Nordheim, s-au determinat urmtorii parametri pentru cele 3 tipuri de oxid MOS pe

SiC: curentul rezidual raportat la aria activ a capacitorului MOS (densitate de curent), cmpul electric de

strpungere al oxidului i bariera de potenial de la interfaa oxidului cu SiC. Aceste valori sunt listate n tabelul

4.1:

Tab. 4.1 Valorile parametrilor oxidului MOS crescut pe SiC, determinai prin analize Fowler-Nordehim. Pentru aceste

caracterizri s-a ales capacitoare MOS pe SiC cu aceeai arie, avnd diametrul ariei active de 300 m

Proba C1

(d=300m)

Curent rezidual

Is (A/cm2)

Cmp electric de strpungere

Eb (MV/cm)

nlimea barierei de potenial de la

interfaa oxidului cu SiC

b (eV)

AO 3.3*10-9 6.73 2.23

N2 1.5*10-9 7.03 2.47

POCl3 1.48*10-9 12.2 2.98

Aa cum putem observa n tabelul 4.1, curentul rezidual are o valoare de dou ori mai mic n urma

tratamentelor termice post-oxidare. Cmpul electric de strpungere al oxidului crete n cazul tratamentului n

azot, ns este mbuntit semnificativ atunci cnd acesta este supus unui tratament termic n atmosfer de

POCl3. Valoarea efectiv a nlimii barierei de potenial de la interfaa oxidului cu SiC, pentru proba AO, este

2.23 eV. n ceea ce privete oxidul crescut pe SiC n atmsofer uscat de O2, atomii de C rmai la interfaa

SiO2/SiC n timpul oxidrii termice, degradeaz att calitatea interfeei, ct i fiabilitatea oxidului. Prin urmare,

densitatea strilor de la interfaa SiO2/SiC are o valoare cu aproape dou ordine de mrime fa de cea din cazul

SiO2/Si [33]. Aceast valoare mare a densitii strilor de la interfaa SiO2/SiC afecteaz bariera de potenial prin

scderea acesteia, avnd ca rezultat creterea numrului de purttori injectai n oxid [34]. Aa cum se poate

observa n tabelul 4.1, b crete n ambele cazuri ale tratamentelor termice post-oxidare (N2 i POCl3). Aceasta

are o valoare de 2.47 eV n cazul probei N2, crescnd n cazul tratamentului termic n atmosfer de POCl3. n

ultimul caz, b atinge o valoare de 2.98 eV, mai apropiat de valoarea sa ideal de 2.7 eV [35].

Corobornd aceste rezultate cu cele din capitolul anterior, putem concluziona c tratamentele termice post

oxidare n diferite atmosfere au condus la reducerea Dit i la creterea barierei de potenial de la interfaa

SiO2/SiC.


18

4.2. TESTELE DE STRES N TEMPERATUR I TENSIUNE

4.2.1. Analiza histerezisului caracteristicilor C-V la temperaturi nalte

Caracteristicile C-V bidirecionale au fost obinute, polariznd capacitoarele MOS de la -10 V la +10 V i apoi

spre -10 V, la diferite temperaturi de msur. Msurtorile C-V au fost realizate la nalt frecven, f = 1 MHz, la

temperaturi cuprinse ntre 25 i 200 C. n Fig. 4.3 sunt prezentate caracteristici C-V bidirecionale msurate la

temperatura camerei, respectiv 200C, pentru cele trei tipuri de capacitoare MOS pe SiC: AO, N2 i POCl3.

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

5

10

15

20

25

30

35 25

0C

2000C

AO

Ca

pa

citate

a,

C (

pF

)

Tensiunea Aplicata, Va (V)

a) Injectie

de purtatori

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

10

20

30

40

50

60

Injectie

de purtatori

250C

2000C

N2

Ca

pa

cita

tea

, C

(p

F)


b)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Injectie

de purtatori

250C

2000C

POCl3

Ca

pa

cita

tea

, C

(p

F)


c)

Fig. 4.3 Caracteristici C-V bidirecionale pentru cele trei tipuri de capacitoare MOS-SiC:

(a) AO; (b) N2; (c) POCl3

Sensul caracteristicilor bidirecionale C-V are sensul acelor de ceasornic, indicnd faptul c electronii, purttorii

majoritari din SiC, au fost injectai n oxid atunci cnd capacitorul MOS a fost polarizat n zona de acumulare

[36]. Pentru a analiza evoluia histerezisului cu creterea temperaturii de msur, n Fig. 4.4 se prezint variaia

deplasrii caracteristicii C-V atunci cnd capacitorul MOS este polarizat dinspre golire adnc (- 10 V) spre

acumulare (+ 10 V) i invers.

0 50 100 150 200

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6 AO

N2

POCl3

His

tere

zis

(V)

T (K)

Fig. 4.4 Dependena de temperatur a histerezisului pentru cele 3 tipuri de capacitoare MOS-SiC

Dup cum se observ, la temperatura camerei, n cazul probei AO, este prezent un histerezis cu o valoare de

aproximativ 0.2 V. n urma tratamentelor termice post oxidare n atmosfer de N2 sau POCl3, aceast valoare

este redus. n cazul probei POCl3, histerezisul este aproape insesizabil, avnd o valoare foarte apropiat de 0

V. Acest fenomen confirm mbuntirea proprietilor electrice ale oxidului MOS dup tratamentele

termice post-oxidare. Pe msur ce temperatura de msur crete, barierea de potenial de la interfaa SiO2/SiC scade (b), favoriznd

creterea injeciei de purttori n oxid. Acest lucru are drept consecin creterea valorii histerezisului cu

temperatura. Prin urmare, n cazul probei AO, valoarea histerezisului este de aproximativ 0.55 V la o

temperatur de 200C. Valoarea histerezisului se reduce aproape la jumtate pentru fiecare temperatur de

msur pentru proba N2. n schimb, histerezisul probei POCl3 este aproape constant pn la temperatura de 125

C, avnd valori sub 0.05 V, i atinge o valoare de aproximativ 0.25 V la temperatura de 200C. Aceast scdere

a valorii histerezisului n urma tratamentelor termice post oxidare indic o reducere a sarcinii n oxid,

asigurnd o stabilitate a capacitorului MOS cu temperatura.


19

4.2.2. Determinarea tipului de sarcin din oxid prin aplicarea unui cmp electric, la temperatur nalt,

pe poarta capacitoarelor MOS realizate

O alt metod pentru caracterizarea sarcinii din oxidul MOS se bazeaz pe aplicarea unui cmp electric pe poart

n timp ce capacitoarele sunt supuse unui stres termic. Aceast metod (BTS Bias Temperature Stress) este

cunoscut pentru investigarea neidealitilor dintr-un sistem MOS i pentru evaluarea defectelor din oxid [37].

De asemenea, ea este utilizat pentru a investiga dac apar sau nu instabiliti la polarizarea negativ / pozitiv la

temperaturi nalte (NBTI Negative Bias Temperature Instability, PBTI - Positive Bias Temperature Instability)

[38] i pentru evidenierea injeciei de purttori [39] sau prezena unor ioni mobili n oxid [40]. n Fig. 4.5 este

ilustrat diagrama metodei BTS, aplicat celor trei tipuri de capacitoare MOS pe SiC realizate.

Fig. 4.5 Procedura pentru determinarea tipului de sarcin din oxidul MOS

Conform procedurii prezentate grafic n Fig. 4.5 msurtorile BTS PBTI au constat n urmtoarele etape:

- Iniial, caracteristicile capacitoarelor MOS au fost nregistrate la temperatura camerei la o frecven de 1 MHz, fiind polarizate de la + 10 V (acumulare) la -10 V (golire adnc).

- Apoi, temperatura incintei n care s-au msurat capacitoarele MOS a fost ridicat la 200C. Cnd s-a atins aceast temperatur, capacitoarele MOS au fost polarizate cu +10 V timp de 2 minute.

- n final, temperatura de msur a fost setat s scad pn la temperatura camerei, timp n care polarizarea capacitorului MOS a fost meninut. O nou caracteristic C-V s-a obinut dup ce

temperatura de msur a ajuns la temperatura camerei.

Aceiai pai au fost urmai pentru msurtorile BTS - NBTI. Astfel, au fost nregistrate caracteristicile C-V atunci

cnd capacitorul MOS a fost polarizat cu 10 V.

n cazul acestor determinri experimentale, cmpul electric aplicat a fost de aproximativ 3.3 MV/cm (10 V

aplicai pe poarta capacitoarelor MOS, oxidul avnd o grosime de aproximativ 30 nm). Aadar, valoarea

cmpului aplicat prezint o valoare de cel puin dou ori mai mic fa de cmpul electric de strpungere al

oxidului, determinat din analizele Fowler Nordheim. n Fig. 4.6 se prezint caracteristici C-V msurate la

temperatura camerei, nainte i dup stresul aplicat, pentru cele 3 tipuri de capacitoare MOS pe SiC realizate.

-2 0 2 4 6 8 100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

C/C

ox


RT initial

RT PBTS +10V

RT NBTS -10V

AO

a)

-2 0 2 4 6 8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

C/C

ox


RT initial

RT PBTS +10V

RT NBTS +10V

N2

b)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.5 1.8 2.1 2.4

0.6

0.8

1.0

C/C

ox

V (V)

RT Initial

RT PBTS +10V

RT NBTS -10V

C/C

ox


RT initial

RT PBTS +10V

RT NBTS -10V

POCl3

c)

Fig. 4.6 Caracteristici C-V pentru identificarea tipului de sarcin din oxid pentru cele 3 capacitoare MOS pe SiC:

(a) AO; (b) N2; (c) POCl3

Aa cum putem observa n Fig. 4.6 (a, b), capacitoarele MOS AO i N2 nu prezint nici o deplasare a

caracteristicilor C-V n urma experimentelor BTS, fenomen ce demonstreaz absena unei sarcini mobile n oxid

sau a unei injecii de purttori datorat stresului. Prin urmare, sarcina din oxidul MOS, pentru capacitoarele AO

i N2, este fix. n schimb, n cazul capacitorului POCl3, se observ o deplasare a caracteristicilor PBTS i

NBTS ctre tensiuni mai mici, evideniind prezena unei sarcini captate n oxid. Acest comportament poate fi

datorat atomilor de P nglobai n oxid n timpul tratamentului termic post-oxidare n atmosfer de POCl3, ce pot

aciona ca centrii ai sarcinilor captate n oxid [39].


20

4.3 TESTE DE STRES LA CMPURI ELECTRICE DE POART INTENSE

n urma analizelor Fowler-Nordheim s-a observat o mbuntire a calitii oxidului MOS, obinndu-se cureni

reziduali mai mici i un cmp electric de strpungere mai mare pentru probele tratate termic n atmosfer de N2,

respectiv POCl3. Ca o analiz suplimentar n ceea ce privete fiabilitatea oxidului MOS, stabilitatea tensiunii de

benzi netede a fost monitorizat prin msurtori C-V succesive, care pornesc de la alt tensiune de polarizare

[41]. Astfel, capacitoarele MOS au fost polarizate, dinspre acumulare spre golire adnc, crescnd tensiunea

aplicat pe poart cu 1V dup fiecare msurtoare electric. n Fig. 4.7 se prezint caracteristici C-V obinute

prin creterea cmpului electric aplicat pe poarta capacitoarelor MOS pe SiC.

-12 -8 -4 0 4 8 12 16

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

2.33MV/cm

2.66MV/cm

3MV/cm

3.33MV/cm

3.66MV/cm

4MV/cm

4.33MV/cm

4.66MV/cm

5MV/cm

5.33MV/cm

5.66MV/cm

C/C

ox


AO

a)

tox

=30nm

-12 -8 -4 0 4 8 12 16

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

C/C

ox


2.33MV/cm

2.66MV/cm

3MV/cm

3.33MV/cm

3.66MV/cm

4MV/cm

4.33MV/cm

4.66MV/cm

5MV/cm

5.33MV/cm

5.66MV/cm

N2

b)

tox

=30nm

-12 -8 -4 0 4 8 12 16

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

C/C

ox


2.33MV/cm

2.66MV/cm

3MV/cm

3.33MV/cm

3.66MV/cm

4MV/cm

4.33MV/cm

4.66MV/cm

5MV/cm

5.33MV/cm

5.66MV/cm

POCl3

c)

tox

=30nm

Fig. 4.7 Caracteristici C-V pentru cele 3 tipuri de capacitoare MOS pe SiC, aplicnd cmpuri electrice diferite:

(a) AO;(b) N2; (c) POCl3

n urma tratamentelor termice post-oxidare n atmosfer de N2, respectiv POCl3, se observ o diminuare a

deplasrii dintre caracteristicile C-V atunci cnd cmpul electric aplicat crete. Pentru proba tratat n atmosfer

de POCl3, caracteristicile C-V sunt aproape suprapuse pentru valori ale cmpului electric cuprinse ntre 2.33 i

5.66 MV/cm. Pentru o evideniere mai precis n ceea ce privete efectul cmpului electric aplicat pe poarta

capacitoarelor MOS, s-a determinat tensiunea de benzi netede VFB pentru fiecare caracteristic C-V. Astfel,

n Fig. 4.8 se prezint variaia tensiunii de benzi netede cu creterea cmpului electric aplicat pe poarta

capacitoarelor MOS pe SiC.

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

AO

N2

POCl3

V

FB (

V)

Campul electric aplicat, E (MV/cm) Fig. 4.8 Variaia tensiunii de benzi netede cu creterea cmpului electric aplicat pe poarta capacitoarelor MOS pe SiC

Probele AO i N2 prezint o variaie similar, tensiunea de benzi netede avnd o cretere liniar cu cmpul

electric aplicat. n cazul probei AO, VFB crete cu aproape 0.45 V atunci cnd cmpul electric variaz de la 2.33

MV/cm la 5.66 MV/cm. O variaie mai mic este observat la proba N2, VFB crescnd cu aproximativ 0.4 V

atunci cnd se atinge un cmp electric de 5.66 MV/cm. n schimb, un comportament diferit este observat la

proba POCl3, VFB avnd o valoare aproape constant cu cmpul electric aplicat. Aceasta variaz cu numai 0.07

V atunci cnd cmpul electric aplicat este modificat de la 2.33 MV/cm pn la 5.66 MV/cm. Acest

comportament poate fi datorat prezenei fosforului ce este responsabil cu reducerea strilor de la interfaa

SiO2/SiC. Astfel, SiO2 este transformat ntr-o sticl fosfosilicata prin fixarea atomilor de P n reeaua oxidului n

timpul tratamentului termic post-oxidare n atmosfer de POCl3. Prin urmare, un atom de P nlocuiete atomul de

Si din tetraedrul SiO4, formnd o legtur dubl P=O i 3 legturi simple P-O [54]. Orice abatere de la aceast

configuraie de reea poate fi considerat un defect introdus de P. ns, ntr-o cantitate bine controlat a P i n

funcie de timpul i temperatura procesului, acestea au i un efect pozitiv prin reducerea semnificativ a strilor

de la interfaa SiO2/SiC. Atomii de P nereactionati pasiveaza suprafaa SiC prin nlocuirea atomilor de C produi

n timpul oxidrii termice [42]. Pe de alt parte, un tratament termic post-oxidare n atmosfer de POCl3, la o

temperatur de 1000C, timp de 1 h, duce la rezultate mult diferite fa de ce s-a obinut n cazul unui tratament

n aceleai condiii, dar ntr-un timp njumtit. Fiorenza et al. [39] au obinut variaii mari ale tensiunii de benzi

netede, de aproximativ 2 V, la modificri ale cmpului electric aplicat de pn la 5 MV/cm. Acest comportament

a fost argumentat prin faptul c P introduce defecte n reeaua oxidului, ce se definesc prin sarcini negative


21

captate n oxid. Mai exact, atomii de P care nu au reacionat cu Si sau O, se consider a fi defecte n reteau

oxidului i pot aciona ca centrii ai sarcinilor captate.

Astfel, dac n cazul unui tratament n POCl3, timp de 1 h la o temperatur de 1000C, s-a raportat o

nrutire a calitii structurii MOS [39], varianta tehnologic propus de mine pentru acest tratament

termic post-oxidare n atmosfer de POCl3 conduce la mbuntirea semnificativ a calitii oxidului, n ceea

ce privete: tensiunea de strpungere a oxidului, curenii reziduali, bariera de potenial dintre banda de

conducie a SiC i cea a oxidului, variaia histerezisului cu temperatura i n final variaia tensiunii de benzi

netede cu crestera cmpului electric aplicat pe poarta capacitoarelor MOS.

CAPITOLUL 5

SENZORI PE SIC PENTRU APLICAII N MEDII OSTILE

n acest CAPITOL al tezei se vor prezenta rezultatele obinute la testarea capacitii diodei Schottky pe SiC, a

crei tehnologie de fabricaie a fost prezentat n CAPITOLUL 2, de a fi utilizat ca senzor de temperatur. Aceasta va fi caracterizat electric la temperaturi ridicate, monitoriznd variaia tensiunii directe cu

temperatura de msur. Caracterizarea senzorilor de temperatur va avea n vedere testarea unor diode al cror

contact Schottky Ni/4H-SiC a fost supus unui tratament termic post-metalizare la o temperatur de 600C, timp

de 2 minute n atmosfer de Ar [43]. Efectul celorlalte tratamente termice post-metalizare, descrise n capitolul 2,

asupra performanelor de senzor ale diodelor Schottky pe SiC, este analizat n teza de doctorat a colegului meu

Gheorghe Pristavu [44].

Pe de alt parte, vor fi investigate performanele capacitoarelor MOS pe SiC, a cror tehnologie de fabricaie

a fost descris n CAPITOLUL 2, ca senzor de hidrogen. Realizarea i caracterizarea unor capacitoare MOS pe

SiC, care s funcioneze ca senzori de hidrogen la o temperatur ridicat, reprezint de fapt subiectul principal al

acestei teze i de aceea investigarea caracteristicilor acestui dispozitiv, n termeni de sensibilitate i fiabilitate, va

primi o atenie special.

5.1. DIODA SCHOTTKY PE SIC PENTRU SENZORI DE TEMPERATUR

Principiul de funcionare al unui senzor de temperatur pe baz de diode Schottky const n variaia tensiunii

directe cu temperatura de msur atunci cnd este polarizat la un current constant. n consecin,

comportamentul electric la diferite temperaturi al pe SiC are un rol crucial. Diodele Schottky pe SiC au fost

ncapsulate i msurate electric la diferite temperaturi, n intervalul 300 548 K, 11 temperaturi diferite. Aceste

msurtori s-au realizat cu ajutorul unui sistem de caracterizare electric PARSTAT 2273, conectat la un sistem

de control a temperaturii. n Fig. 5.1 este evideniat comportamentul unei diode Schottky pe SiC cu temperatura

de msur, cu ajutorul unor caracteristici I-V obinute la diferite temperaturi.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.510

-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

300 K

323 K

348 K

373 K

398 K

423 K

448 K

473 K

498 K

523 K

548 K

Cu

ren

tul D

ire

ct, I F

(A

)

Tensiunea Directa, Va (V) Fig. 5.1 Caracteristici I-V la diferite temperaturi de msur (I-V-T) ale diodelor Schottky pe SiC


22

Analiznd caracteristicile I-V-T se observ 3 regimuri de funcionare ale diodei Schottky:

La tensiuni mici (0 0.4 V), variaia curentului direct cu tensiunea aplicat este liniar, avnd un caracter rezistiv, iar IF ~ Is, unde Is reprezint curentul de saturaie.

Pe msur ce tensiunea crete (Va < 1.5 V), caracteristica devine exponenial, iar curentul direct variaz conform ecuaiei (2.2). Se observ c aceste curbe I-V-T au un caracter exponenial pe aproximativ 5

ordine de mrime ale curentului direct, n ntreaga gam de temperatur.

La tensiuni de polarizare mari (Va > 1.5V), caracteristicile sunt din nou liniare, intervenind efectul rezistenei serie.

n urma prelucrrilor datelor experimentale s-au obinut, pentru fiecare temperatur de msur, urmtoarele

valori ale factorului de idealitate, curentului de saturaie, barierei Schottky i rezistenei serie, listate n tabelul

5.1:

Tab. 5.1. Valorile parametrilor diodeiSchottky pe SiC la diferite temperaturi

T (K) n Is (A) Bn (V) Rs ()

300 1.295 6.627E-21 1.416 28.76

323 1.21 2.54E-20 1.492 33.6247

348 1.16 2.27E-19 1.546 40.7166

373 1.067 4.5E-19 1.6399 49.091

398 1.094 1.85382 1.626 58.823

423 1.04 6.768E-17 1.686 68.917

448 1.07 1.595E-15 1.668 81.168

473 1.048 8.94E-15 1.6954 95.1474

498 1.02 4.02E-14 1.725 109.53

523 1.032 2.849E-13 1.7277 128.534

548 1.023 1.46E-12 1.737 146.198

Factorul de idealitate este aproape constant cu temperatura, fiind foarte apropiat de valoarea sa ideal, 1. Curentul de saturaie crete exponenial cu temperatura, ns are o valoare de ordinul pA, la temperatura

de 548 K, demonstrnd faptul c dioda Schottky pe SiC poate funciona fr probleme la aceast temperatur.

Bariera Schottky a diodei are valoarea de aproximativ 1.4 V la temperatura camerei, ns cu creterea temperaturii de msur, valoarea acesteia se mbuntete, atingnd ntr-un final o valoare constant, n jurul

valorii de 1.7 V.

Rezistenta serie are valoarea de aproximativ 28.76 la temperatura camerei, aceasta crescnd cu temperatura de msur pn la 146.2 , la temperatura de 548 K. Aceast cretere a valorii rezistenei serie se

datoreaz scderii mobilitii purttorilor n semiconductor cu creterea temperaturii.

Atunci cnd dioda Schottky funcioneaz ca senzor de temperatur, aceasta este polarizat la un curent constant,

iar variaia tensiunii aplicate trebuie s fie liniar cu temperatura de msur. Acest fapt este demonstrat de

caracteristicile ilustrate n Fig. 5.2, fiind obinute pentru valori ale curentului direct, pentru care caracteristica I-V

rmne expoentiala la toate temperaturile de msur.

300 350 400 450 500 550

0.6

0.8

1.0

1.2

Tensiu

nea

aplic

ata

, V

a (

V)

Temperatura, T (K)

IF = 10-7

A

IF = 10-6

A

IF = 10-5

A

IF = 10-4

A

Fig. 5.2 Variaia tensiunii aplicate cu temperatura de msur


23

Fig. 5.2 demonstreaz funcionarea corect a senzorului de temperatur, bazat pe o diod Schottky pe SiC, pn

la temperatura de 548 K. Plecnd de la temperatura camerei, tensiunea aplicat preizinta o scdere liniar pn la

aceast temperatur.

Un parametru foarte important al senzorului de temperatur este sensibilitatea, valoarea acesteia fiind

determinat n urma unor fitri liniare ale caracteristicilor ilustrate n Fig. 5.2, valorile sensibilitii senzorului de

temperatur pe SiC, n funcie de curentul de polarizare, fiind prezentate n Fig. 5.3:

10-7

10-6

10-5

10-4

1.4

1.6

1.8

2.0

Sen

sibi

litat

ea,

S (

mV

/K)

Curentul direct, IF (A)

S

Fig. 5.3 Sensibilitatea senzorului de temperatur, bazat pe o diod Schottky pe SiC, n funcie de curentul direct

La un curent constant, IF = 10-7 A, sensibilitatea senzorului are o valoare de S = 2.04 mV/K. Aceast valoare

scade cu creterea curentului de polarizare, avnd S = 1.47 mV/K la un curent de polarizare de IF = 10-4 A.

n consecin, caracterizrile electrice cu temperatura, ale diodelor Schottky pe SiC, demonstreaz c senzorii

pot funciona n condiii optime pn la o temperatura de 548 K.

5.2. CAPACITORUL MOS PE SIC PENTRU SENZORI DE HIDROGEN

n continuare se va testa o structur de tip capacitor MOS (Pd/SiO2/4H-SiC), care integreaz un strat de oxid

de cmp, fiind dezvoltate 2 tipuri de tratamente post-oxidare pentru mbuntirea performanelor i a

fiabilitii dispozitivului. Tehnologia de fabricaie a fost detaliat n CAPITOLUL 2.

Caracterizarea electric a capacitoarelor MOS pe SiC a fost realizat cu echipamentul Keithley 4200-SCS, care,

pentru testarea performanelor ca senzor, a fost conectat la un sistem format din 6 regulatoare de debit al gazului

(mass flow controllers - MFC), dintre care s-au utilizat doar 3. n acest fel, putem obine informaii despre

comportamentul capacitorului MOS pe SiC n prezena hidrogenului, fiind necesare pentru nelegerea,

dezvoltarea i optimizarea senzorului. ntregul sistem de testare al senzorilor de hidrogen bazai pe capacitoare

MOS pe SiC este ilustrat schematic n Fig. 5.4.

Fig. 5.4 Schema sistemului de testare a senzorilor de hidrogen bazai pe capacitoare MOS pe SiC


24

Performanele capacitoarelor MOS pe SiC ca senzori de hidrogen au fost evaluate analiznd comportamentul

caracteristicilor C-V n prezena hidrogenului. Prin urmare, senzorii MOS ncapsulai au fost caracterizai

electric la diferite temperaturi, cuprinse n gama 25 - 200C, la diferite concentraii de H2, cuprinse n gama 20 -

1800 ppm n N2. Acetia au fost polarizai dinspre zona de acumulare (+10 V) ctre golire adnc (-10 V),

obinndu-se caracteristici C-V pentru toate cele 3 tipuri de capacitoare MOS pe SiC: AO, N2 i POCl3. Cu

ajutorul acestor caracteristici a fost evaluat rspunsul senzorilor de H2 n funcie de temperatura de msur, la o

tensiune aplicat constant. Rspunsul senzorilor n funcie de temperatura de msur fost determinat conform

relaiei:

=2 2

2 100 [%] (5.1)

n care: 2 - valoare capacitii obinut ntr-un mediu cu H2, iar

2 - valoare capacitii ntr-un mediu cu N2.

Astfel, s-au obinut caracteristici C-V la temperaturi diferite pentru cea mai mic concentraie de H2 oferit de

ctre sistemul de msur, i anume 20 ppm, pentru toate cele 3 tipuri de senzori MOS pe SiC: AO, N2 i POCl3.

Ulterior, rspunsul senzorilor a fost evaluat la diferite concentraii de H2, cuprinse n gama menionat mai sus,

la anumite temperaturi de msur. n urma acestor msurtori, s-a analizat variaia rspunsului senzorilor cu

creterea concentraiei de H2, atunci cnd au fost polarizai dinspre acumulare ctre golire adnc. n plus,

rspunsul maxim al senzorilor, obinut n urma polarizrii cu o tensiune constant, pentru fiecare concentraie de

H2 a fost evaluat. n final, senzorii au fost caracterizai din punct de vedere dinamic, determinnd timpul de

rspuns, respectiv de revenire, n urma comutrii ON/OFF al valvelor regulatoarelor de debit pentru furnizarea

H2. Performanele celor 3 tipuri de senzori, bazai pe capacitoare MOS pe SiC, vor fi discutate separat, preciznd

n final avantajele, respectiv dezavantajele introduse de tratamentele termice post-oxidare realizate, n scopul

mbuntirii senzorilor de H2.

Senzorul AO de H2

Pentru a evalua rspunsul senzorului de H2 n funcie de temperatur, s-au obinut caracteristici C-V la o

concentraie fix de 20 ppm H2, la temperaturi cuprinse n intervalul 25 - 200C. Pentru a analiza

comportamentul la fiecare temperatur de msur a senzorului, s-a determinat rspunsul acestuia cu ajutorul

ecuaiei (5.1), iar n Fig. 5.5 este prezentat variaia acestuia cu temperatura pentru o concentraie fix de 20

ppm.

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0

10

20

30

40

50

R / %

Tensiunea aplicata, Va (V)

250C

500C

750C

1000C

1250C

1500C

1750C

2000C

AO

20 ppm H2

Fig. 5.5 Rspunsul senzorului AO la concentraia de 20 ppm de H2, la diferite temperaturi

Aa cum putem observa, senzorul are un rspuns slab pn la o temperatur de 125 C, avnd o valoare de sub

10 %. ncepnd cu temperatura de 150C, rspunsul senzorului se mbuntete semnificativ, atingnd o valoare

de aproximativ 43 % la temperatura de 200C.

Pentru a testa performanele senzorului la diferite concentraii de H2, s-au fcut msurtori electrice la

concentraii de H2 care au variat ntre 20 1800 ppm, la temperaturile 25, 150, respectiv 200 C. Aceste

temperaturi au fost alese conform Fig. 5.5, de unde rezult performane promitoare ale senzorului de la o

temperatur minim de 150 C. n Fig. 5.6 se prezint variaia rspunsului la diferite concentraii de H2, cuprinse

n gama menionat mai sus, fiind analizat la temperatura camerei, respectiv 200C.


25

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0

2

4

6

8

R / %


20 ppm

50 ppm

100 ppm

200 ppm

300 ppm

400 ppm

500 ppm

600 ppm

700 ppm

800 ppm

900 ppm

1000 ppm

1200 ppm

1400 ppm

1600 ppm

1800 ppm

AO

T=250C

(a)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0

5

10

15

20

25

30

R / %


20 ppm

50 ppm

100 ppm

200 ppm

300 ppm

400 ppm

500 ppm

600 ppm

700 ppm

800 ppm

900 ppm

1000 ppm

1200 ppm

1400 ppm

1600 ppm

1800 ppm

AO

T=2000C

(b)

Fig. 5.6 Variaia rspunsului senzorului AO la diferite concentraii de H2, la temperatura camerei (a), respectiv 200C (b)

La temperatura camerei, se observ o cretere a rspunsului cu concentraia de H2, atingnd o valoare maxim de

aproximativ 7.7 %, la o concentraie de H2 de 1800 ppm. Rspunsul senzorului de H2 prezint dou maxime, n

jurul valorii 7.7 %, la tensiunii de polarizare de 2.6 V, respectiv 5.4 V.

Deoarece rspunsul maxim al senzorului a fost obinut la o temperatur de 200C (conform Fig. 5.5), s-a analizat

comportarea acestuia la diferite concentraii de H2 i pentru aceast temperatur. Astfel, n Fig. 5.7 se prezint

variaia rspunsului la diferite concentraii de H2, obinut la temperatur de 200C. i n acest caz, rspunsul

crete cu concentraia de H2, atingnd o valoare maxim de aproximativ 28 % la o concentraie de H2 de 1800

ppm, pentru o tensiune de polarizare de 5.2 V. La temperatura de 200C, prezena mai multor maxime de rspuns

este clar evideniat de o posibil activarea a strilor de la interfaa SiO2/SiC la temperatur ridicat.

Comportamentul dinamic al senzorului de H2 a fost analizat prin obinerea de caracteristici capacitate vs. timp

(C-t), la o tensiune de polarizare constant. Aadar, n Fig. 5.7 este evideniat variaia capacitii n timp, la o

concentraie de H2 de 20 ppm i o temperatur de 200C, atunci cnd senzorul este polarizat la o tensiune

constant.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 180060

70

80

90

100

110

120

revenire

raspuns

t0 - raspuns

= 14 s

t revenire

= 14 s

t raspuns

= 12 s

AO

T = 2000C

20 ppm H2

Va = 6.1 V

Ca

pa

cita

te,

C (

pF

)

timp, t(s)

InitialH

2 on

H2 off

Fig. 5.7 Rspunsul senzorului AO de H2 n regim tranzitoriu, la o temperatur de 200 C i o concentraie de H2 de 20

ppm

Inital, senzorul rspunde n 14 s la o concentraie mic de H2 (20 ppm), atingnd astfel valoarea maxim a

capacitii msurate. n ceea ce privete revenirea senzorului la valoarea iniial a capacitii, acesta are nevoie

de un timp de 14 s pentru a se stabiliza la o capacitate aproximativ constant. Atomii de H2 sunt captai fie la

suprafaa Pd-ului, fie la interfaa SiO2/SiC, iar ndeprtarea acestora poate dura mai mult timp. Astfel, aa cum se

observ i n Fig. 5.7, valoarea capacitii nu ajunge la cea iniial atunci cnd H2 este nchis (H2 off), avnd o

tendin de cretere a capacitii de revenire pe toat durata msurtorii electrice. Aa cum am mai spus, acest

comportament poate fi cauzat de posibilie schimbri de faz ale metalului catalitic ce pot avea loc n timpul

bombardrii cu atomi de H2. Dup revenirea capacitii la o valoare aproximativ constant (H2 este OFF),

senzorul rspunde din nou n numai 12 s.

Senzorul N2 de H2

Analize identice au fost aplicate i capacitorului MOS pe SiC senzorul N2, testndu-i astfel performanele de

senzor la diferite concentraii de H2, respectiv diferite temperaturi de msur. Aadar, primele experimente au

avut n vedere comportarea cu temperatura a senzorului, la o concetratie mic de H2, mai exact 20 ppm. Prin

urmare, n Fig. 5.8 se prezint variaia acestuia cu temperatura pentru o concentraie fix de 20 ppm n funcie de

tensiunea de polarizare.


26

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0

20

40

60

80

100

250C

500C

750C

1000C

1250C

1500C

1750C

2000C

R / %


N2

20 ppm H2

Fig. 5.8 Rspunsul senzorului N2 la diferite temperaturi de msur, la concentraia 20 ppm H2

Aa cum putem observa n Fig. 5.8, rspunsul senzorului N2 devine semnificativ pentru o concentraie de H2 de

20 ppm, de la o temperatur minim de msur de aproximativ 150C. La aceast temperatur, senzorul are un

rspuns de aproximativ 13 %, crescnd semnificativ pn la temperatura de 200C, unde atinge o valoare

maxim de aproximativ 90 %.

Pentru a testa performanele senzorului la diferite concentraii de H2, acesta a fost caracterizat electric n condiii

similare cu cele aplicate senzorului AO. Astfel, concentraia de H2 a variat ntre 20 1800 ppm, fiind obinute

carcteristici C-V la aceleai temperaturi fixe de msur: 25, 150, respectiv 200C. Prin urmare, n Fig. 5.9 se

prezint variaia rspunsului la diferite concentraii de H2, la temperatura camerei, respectiv 200C.

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0

10

20

30

40

50

60

70

R / %


20 ppm

50 ppm

100 ppm

200 ppm

300 ppm

400 ppm

500 ppm

600 ppm

700 ppm

800 ppm

900 ppm

1000 ppm

1200 ppm

1400 ppm

1600 ppm

1800 ppm

N2

T = 250C

(a)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0

20

40

60

80

100

120

N2

T=2000C

R / %


20 ppm

50 ppm

100 ppm

200 ppm

300 ppm

400 ppm

500 ppm

600 ppm

700 ppm

800 ppm

900 ppm

1000 ppm

1200 ppm

1400 ppm

1600 ppm

1800 ppm

(b)

Fig. 5.9 Variaia rspunsului senzorului N2 la diferite concentraii de H2, la temperatura camerei (a), respectiv 200C (b)

La temperatura camerei, aa cum putem observa n Fig. 5.9, rspunsul senzorului crete odat cu creterea

concentraiei de H2, atingnd o valoare maxim de aproximativ 64 %, pentru o concentraie de H2 de 1800 ppm.

Se observ o mbuntire semnificativ a performanelor senzorului la temperatura camerei, rspunsul maxim

crescnd de mai bine de 8 ori fa de valoarea obinut n cazul senzorului AO. Pentru a analiza performanele

senzorului i la temperatur ridicat, s-au efectuat msurtori electrice identice, pentru temperatura de 150,

respectiv 200C.

Pentru a analiza rspunsul senzorului N2 i la temperatura de 200C, temperatur pentru care s-a obinut un

rspuns maxim la o concentraie fix de 20 ppm H2, au fost obinute masuaratori electrice la diferite concentraii

de H2. Prin urmare, n Fig. 5.9 (b) se prezint variaia rspunsului obinut la temperatura de 200C, pentru

concentraii diferite de H2. Se observ o evoluie a rspunsului pentru fiecare cretere a concentraiei de H

Departamentul Dispozitive, Circuite și Arhitecturi Electronice labs/L1/theses_RP.pdf · Modele și tehnologii de realizare de senzori pe SiC pentru medii ostile 5 CAPITOLUL 1 DISPOZITIVE

Text of Departamentul Dispozitive, Circuite și Arhitecturi Electronice labs/L1/theses_RP.pdf · Modele și...

Dispozitive și aplicații mobile

Ostile Issue 1

ORDONANȚĂ DE URGENȚĂ nr. 130 din 31 iulie 2020privind ...3250 Fabricarea de dispozitive, aparate și instrumente medicale și stomatologice 3299 Fabricarea altor produselor manufacturiere

CONDIȚII GENERALE PRIVIND ASIGURAREA ......qq) Revolta: demonstrații violente ce produc agitație, însoțite de acțiuni violente, ilegale și ostile la adresa autorităților având

Proiect Dispozitive

MASTERYS GP4 - socomec.com · Fiabilitate și performanță superioară de la 10 la 160 kVA/kW > Centre de date de dimensiuni mici și medii > Bănci > Unități medicale > Dispozitive

UNIVERSITATEA TEHNICĂ...textile, folosind senzori de umiditate și dispozitive simple realizate în laborator. Simularea fenomenelor de transfer de căldură și umiditate prin materialele

Ostile Issue 0

DISPOZITIVE MOBILE DE LEGARE LA PĂMÂNT ȘI ÎN … · 2020. 1. 17. · secțiune rectangulară sau rotundă și pe piese sferice cu diametre de 20 /25 mm. ... (CCNU). Ambele cleme

Dispozitive portabile

Primii pași - helpguide.sony.net · Nu utilizați alte dispozitive în afară de chinga furnizată. Dacă ați reatașat cureaua, asigurați-vă că și cureaua, și butonul sunt

Bio Dispozitive

Închiriere dispozitive şi scule speciale un serviciu ... celszerszam RO.pdf · Piese originale VW, Opel și Ford direct din stoc Scopul nostru este deservirea rapidă și punctuală

Dispozitive de protecţie la curent de trăsnet și supratensiune

Fotolii rulante Dispozitive de mers Dispozitive de ... · - Previne escarele de decubit - Ușor și rapid de folosit - Asigură un confort sporit Indica˚ii - Se recomandă utilizarea

RO CV Andrei Gheorghe feb2010 - · PDF file• Microsenzori și sisteme MEMS • Electronica de putere (Surse în comuta ție și dispozitive de comutație) ... salt din program şi

Laboratorul de Microstructuri, Dispozitive și Circuite de ... · PDF fileLaboratorul de Microstructuri, Dispozitive și Circuite de Microunde ... de semnal mic şi apelând apoi la

Biomateriale și Dispozitive Medicale Sectiune online pe ...Materiale și Acționări Electrice Ș.l.dr.ing. Alina ILIE-SĂNDOIU, Departamentul de Bioinginerie și Biotehnologie 31

SISTEM INTELIGENT PENTRU ACȚIONAREA, CONTROLUL ... · ortopedie – traumatologie și neurologie, asigură prin dispozitive / sisteme specifice menținerea unor porțiuni / zone

Dispozitive Optoelectronice

INTERFEȚE UTILIZATOR GESTUALE PENTRU DISPOZITIVE … · 2020. 9. 8. · INTERFEȚE UTILIZATOR GESTUALE PENTRU DISPOZITIVE MOBILE ȘI WEARABLE-REZUMAT- Coordonator științific Doctorand

Departamentul Dispozitive, Circuite și Arhitecturi Electronice labs/L1/theses_RP.pdf · 2016-12-02 · Proiect InnoRESEARCH - POSDRU/159/1.5/S/132395 Burse doctorale și postdoctorale

Dispozitive electrice

Softstartere electronice și acţionări electrice pentru ...comenzielectrice.ro/pdf/sb0201ro.pdf · Dispozitive electronice de putere Dispozitivele electronice de putere servesc

Casa N · Web viewEvaluarea furnizorilor de servicii medicale, medicamente și dispozitive medicale 30 Măsuri întreprinse pentru îmbunătăţire furnizării și controlului serviciilor

Dispozitive de protecţie la curent de trăsnet și supratensiuneimage.schrack.com/produktkataloge/k-blitzro7.pdf · 2 DISPOZITIVE DE PROTECŢIE LA CURENT DE TRĂSNET ȘI SUPRATENSIUNE

Ministerul Educaţiei al Republicii Moldova Centrul de ... · 2. Dispozitive periferice de intrare Dispozitive periferice de intrare – tastatura și mouse-ul Proiect individual:

SCULE ȘI UNELTE - Wetterbest...de tinichigerie. Acestea sunt produse de compania austriacă STUBAI, lider mondial de profil, care dezvoltă încă din 1742, scule și dispozitive

Diagnoză auto - · PDF fileDiagnoză auto Selecție de echipamente, aparate și dispozitive pentru diagnosticare autovehicule 2016

Conținutul instrumentului de autoevaluare · 4.1 dispozitive de protecȚie 40 4.2 protejarea datelor personale Și a vieȚii private 43 4.3 protejarea sĂnĂtĂȚii Și bunĂstĂrii

Documents

Departamentul Dispozitive, Circuite și Arhitecturi Electronice labs/L1/theses_RP.pdf · Modele și tehnologii de realizare de senzori pe SiC pentru medii ostile 5 CAPITOLUL 1 DISPOZITIVE

Text of Departamentul Dispozitive, Circuite și Arhitecturi Electronice labs/L1/theses_RP.pdf · Modele și...