Aplicação do BESOI (Back Enhanced) MOSFET como sensor de luz no espectro visível. - Peixoto, José Augusto Padovese (2019)
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.