Estudo comparativo de tecnologias CMOS e SOI-CMOS aplicadas a fotodiodos laterais PIN

• Ano de defesa: 2013
• Autor(a) principal: Novo, C.
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Centro Universitário da Fei, São Bernardo do Campo
• Palavras-chave em Português: Polarização (Ciências sociais); Temperatura
• Link de acesso: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/447

A detecção óptica tem várias aplicações comerciais importantes, tais como sistemas de imagem, armazenamento de dados ópticos, comunicação óptica de dados, aplicações nas áreas médica, de meio-ambiente e espacial. Tais funções exigem a utilização de fotodetectores eficientes, tais como os fotodiodos PIN. Este trabalho consiste em um estudo sobre as características dos fotodiodos PIN de silício, tais como sua responsividade, eficiência quântica, fotocorrente e corrente de escuro. Através dessa análise foi possível demonstrar a adequação destes dispositivos às diferentes aplicações dependendo do tipo de tecnologia utilizada (CMOS SOI ou BULK). Por meio de simulações numéricas foi constatado que o fotodiodo PIN CMOS SOI, com camada de silício de 80nm, apresenta maior responsividade na faixa de comprimento de onda () de 400nm. Já a responsividade dos fotodiodos PIN CMOS BULK atinge seu valor máximo para 470nm. Este fato demonstra que a tecnologia SOI estudada é vantajosa na faixa do ultravioleta do espectro eletromagnético. Também foram realizadas simulações numéricas com dispositivos multifingers. Um dos parâmetros analisados foi o comprimento da sua região intrínseca (LI). Para os fotodiodos PIN CMOS SOI totalmente depletados, a maior eficiência quântica total (aproximadamente de 50% com =390nm), foi obtida para LI de 35,5µm, pois a região fotossensível é maior. Já nos dispositivos parcialmente depletados, a maior eficiência foi obtida com LI de 13,4µm, devido à menor influência do fenômeno de recombinação de portadores. O comprimento de difusão dos portadores minoritários (elétrons) foi estimado entre 3,71 e 11,11µm. A corrente de escuro se mostrou mais evidente em dispositivos BULK, já que há maior área de junção. A tensão reversa (VD) e a temperatura são parâmetros importantes para determinar a intensidade desta corrente. Outro parâmetro estudado neste trabalho foi a tensão de polarização de porta traseira, que altera a intensidade da fotocorrente que passa de 28pA em acumulação, para mais de 40pA em depleção nos fotodiodos SOI. Os resultados experimentais de intensidade de corrente e relação de sinal-ruído relativos aos dispositivos multifinger de tecnologia 2µm testados demonstraram o mesmo comportamento previsto nas simulações numéricas a respeito da polarização de porta traseira (VBG), sendo que a maior relação sinal-ruído foi obtida em acumulação do filme de silício (VBG negativa), sendo aproximadamente quatro vezes maior que aquela apresentada com VBG=0V; especialmente em altas temperaturas (maior que 360 K). Todas as características analisadas neste trabalho fundamentam a utilização dos fotodiodos SOI para aplicações específicas de baixos comprimentos de onda, tais como medidas de concentração de gases, mensuração de proteínas e níveis bacterianos, medidas de concentração de DNA e leitura de dados ópticos como o Blue-Ray. Além disso, aplicações que necessitam de resposta em velocidade alta também são indicadas para utilização do fotodiodo PIN SOI. Em contrapartida, os dispositivos BULK apresentam melhor desempenho quando toda a faixa do espectro visível é comparada, por isso, são indicados para sistemas de imagem em geral como a câmera digital.