ESTUDIO DE TRANSISTORES FET DE CdS POR … · por baño químico, se muestran las curvas de...

CENTRO DE INVESTIGACIN EN MATERIALES AVANZADOS

DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO

ESTUDIO DE TRANSISTORES FET DE CdS POR DIFERENTES

FORMULACIONES MEDIANTE BAO QUIMICO

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

DOCTORADO EN CIENCIA DE MATERIALES

Presenta:

TEMSTOCLES MENDIVIL REYNOSO

Directores:

Dr. RAFAEL RAMREZ BON (CINVESTAV)

Dr. SION F. OLIVE MNDEZ (CIMAV)

CHIHUAHUA, CHIH. MAYO, 2015

ii

RESUMEN

En este captulo se presentaran algunos antecedentes generales sobre la importancia de los

transistores de efecto de campo (FET) en el avance tecnolgico, as como las posibilidades que nos

brinda la ciencia de los materiales, como caractersticas nicas y procesamiento de diferentes

sustancias. Sustancias como el CdS, material a emplear en esta investigacin, mencionando algunas

aplicaciones del mismo y adems se plantearon objetivos del trabajo. En el segundo captulo se

presenta la metodologa, se listan las formulaciones de las reacciones as como se describe el

procedimiento de cmo implementarlas, dos sistemas se emplean uno con glicina y otro con citrato

de sodio que adems incluye disoluciones M1, M2, M3 y M4 disminuyendo la concentracin de

cadmio respectivamente. Por otra parte, la caracterizacin de las pelculas de CdS as como una

introduccin a la tcnica de depsito de estas. En el captulo tres se describe cmo la combinacin

de diferentes tipos de estos materiales nos brindan la posibilidad fabricar dispositivos FET, se

realiza una revisin de los conceptos ms importantes de transistores FET, su clasificacin y

principales caractersticas. Adems se presenta el proceso de fabricacin usado en el desarrollo del

FET a base de capas CdS como canal activo empleadas en este trabajo.

En el cuarto captulo se presentan el desarrollo experimental y resultados obtenidos al

fabricar los transistores pseudo MOSFET todos estos poseen una capa activa de CdS depositada

por bao qumico, se muestran las curvas de Corriente contra voltaje que nos permitirn determinar

las propiedades elctricas de los dispositivos, tambin se mostraran propiedades morfolgicas tanto

superficiales y estructurales que caracterizan al material. Se presentaran tres estudios: en el primero

de ellos la formulacin qumica de pelculas de sulfuro de cadmio (CdS) emplea glicina, en el

segundo estudio se observa el efecto del tratamientos trmicos en las propiedades elctricas de la

iii

capa activa de CdS de los dispositivos TFT para diferentes atmosferas como nitrgeno, argn y

forming gas (N2-H2) para la formulacin M2, as como tambin la combinacin de los tratamientos

de forming gas con inmersiones en una solucin saturada en CdCl. Por ltimo, se fabricaron

bicapas de las diferentes formulaciones, especficamente M1/M4, M2/M4, M3/M4 y M4/M4 para

estudiar su efecto en las propiedades elctricas como capa activa de los dispositivos TFT de CdS.

iv

TABLA DE CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS ...... vii

LISTA DE TABLAS xi

AGRADECIMIENTO.......... xii

RECONOCIMIENTOS............ xiii

CAPTULO 1 ............................ 1

INTRODUCCIN.................... 1

1.1 Antecedentes.......................... 1

1.2 Objetivo General............ 8

1.3 Objetivos Particulares......... 8

1.4 Hiptesis de trabajo ...........

8

CAPITULO 2........................... 9

METODOLOGIA..................... 9

2.1 Bao Qumico........................ 9

2.2 Sulfuro de Cadmio (CdS) .. 10

2.3 Fundamentos del depsito por bao qumico (DBQ) 11

2.4 Cintica de bao qumico............... 12

2.5 Metodologa para la sntesis de pelculas por DBQ 16

2.6 Resultados y discusin de pelculas de CdS...

18

CAPITULO 3............................ 27

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET)........... 27

3.1 INTRODUCCION................. 27

3.2 Dielctrico (SiO2)........... 28

3.3 Clasificacin de los FET. 29

3.3 MOSFET......................... 30

v

3.4 Capacitor Metal-Oxido-Semiconductor . 31

3.4.1Esquema estructural del pseudo MOSFET a base de una capa activa de CdS... 34

3.5 Comportamiento del pseudo MOSFET.. 35

3.6 Caracterizacin de los dispositivos TFT pseudo MOSFET 37

3.7 Regin lineal de operacin. 38

3.8 Regin de saturacin....... 39

3.9 Esquema de fabricacin. 43

3.10 Metalizacin de contactos. 43

3.11 Efectos no ideales en Transistores de Efecto de campo de pelcula delgada (TFTs FET)...

45

CAPITULO 4..................... 54

RESULTADOS......................... 54

4.1 Glicina como agente acomplejante para el deposito qumico de CdS como capa activa para

Transistores de pelcula delgada. ..... 55

4.1.1 Introduccin................... 55

4.1.2 Detalles experimentales......................... 57

4.1.3 Resultados. ..................... 60

4.2 Efectos del tratamiento trmico en las propiedades elctricas de los TFT de CdS en

diferentes atmosferas (N2, H2 y H2-N2). 69

4.2.1 Introduccin................ 70

4.2.2 Detalles experimentales.. 71

4.2.3 Resultados ...... 75

4.3 Efectos en las propiedades elctricas de TFTs con canal activo formado por dos capas de

CdS con distintas formulaciones... 87

4.3.1 Introduccin.................... 87

4.3.2 Detalles experimentales...... 89

4.3.3 Resultados ......................

90

vi

Conclusiones........................ 99

Bibliografa................................ 101

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2-1 Esquema del bao qumico. 11

Figura 2-2 Curva tpica del espesor de la pelcula respecto al tiempo. 13

Figura 2-3 Mecanismo ion por ion. A: Difusin de los iones Cd2+ y S2- hacia el

sustrato. B: Nucleacin de los iones sobre el sustrato formando ncleos

de CdS. C: Crecimiento de los ncleos de CdS por adsorcin de los iones

Cd2+ y S2- presentes en la solucin y formacin de nuevos ncleos

cristalinos. D: Crecimiento continuo delos cristales, se adhieren unos a

otros por fuerzas de Van der Waals..

14

Figura 2-4 Mecanismo de hidrxidos. A: difusin de partculas coloidales hacia el

sustrato. B: Reaccin con los iones sulfuro produciendo el cadmio del

CdOH en CdS. C: ocurre tanto en las partculas coloidales adheridas a

la superficie del sustrato, como en las dispersas en la solucin. D: la

reaccin contina hasta que la mayora delos hidrxidos se convierte en

CdS. E: las partculas de CdS formadas se adhieren una a otras dando

lugar a una pelcula de CdS, pero las partculas no adheridas se agregan

y precipitan en la solucin..

14

Figura 2-5 Pelculas de CdS en Solucin M2..

18

Figura 2-6 Espesores de pelculas de CdS de formulacin M1, M2, M3 y M4. 19

Figura 2-7 Patrones de difraccin de DRX de pelculas de CdS de formulacin M1.. 20



Figura 2-10 Constantes de Red c de las pelculas de CdS M1, M2, M3 y M4 en

funcin del tiempo de depsito...

22

Figura 2-11 Espectros de Reflectancia y transmitancia para las formulaciones M1,

M2, M3 y M4 para tiempos de 15, 30, 60, 90 y 120 minutos...

24

Figura 2-12 Morfologa superficial por Microscopia electrnica de barrido (SEM)

para las formulaciones M1, M2 y M3 en 60 minutos.

25


para la formulacin M2 para depsitos de 15, 60 y 90 minutos

25

Figura 3-1 Esquema del capacitor MOS. 31

Figura 3-2 Funcin de trabajo de un metal, funcin de trabajo de un semiconductor y afinidad electrnica

31

viii

Figura 3-3 Perfiles de banda de la estructura de un MOS a) En equilibrio b) en forma de bandas planas..

32

Figura 3-4 Diagrama de bandas de energa y diagrama de bloques de carga correspondientes, que describen el estado de un capacitor MOS.

33

Figura 3-5 Ilustracin esquemtica de una estructura TFT..

34

Figura 3-6 Esquema experimental de pseudo MOSFET con capa activa de CdS empleado en este trabajo...

36

Figura 3-7 Caractersticas de DC para FET. 37

Figura 3-8 Determinacin del voltaje umbral 40

Figura 3-9 a) Determinacin de la conductancia del canal, b) Determinacin de la razn de encendido, transconductancia y voltaje S..

41

Figura 3-10 Proceso de Fabricacin de los transistores FET de CdS

44

Figura 3-11 Esquema de seccin transversal para una configuracin de un TFT de ZnO con compuerta comn

46

Figura 3-12 Caracterstica de salida de un transistor MOS con efectos de modulacin de la longitud del canal

47

Figura 3-13 Graficas de log (ID) contra VGS (escala izquierda) and (ID)1/2 contra VGS (escala derecho), para poder medir el voltaje swing y el voltaje de umbral. En el inset se

muestran las familias de curcas de Corriente de drenaje-fuente IDS como funcin

del Voltaje de drenaje-fuente VDS. Esta figura corresponde al conjunto de

transistores donde la capa active fue crecida a 150C por 15 minutos..

51

Figura 3-14 Graficas de log (ID) contra VGS (escala izquierda) and (ID)1/2 contra VGS (escala derecho), para poder medir el voltaje swing y el voltaje de umbral. En el inset se

muestran las familias de curcas de Corriente de drenaje-fuente IDS como funcin

del Voltaje de drenaje-fuente VDS. Esta figura corresponde al conjunto de

transistores donde la capa activa fue crecida sin calentamiento del sustrato

52

Figura 4-1 a) Esquema de la seccin transversal del dispositivo con una compuerta comn. b) Imagen de la seccin transversal del dispositivo mediante SEM y c) imagen

de SEM donde se muestra la morfologa de pelcula de CdS.

59

Figura 4-2 Se muestra el patrn de difraccin de rayos-X de la pelcula de CdS.. 60

Figura 4-3 Se muestra el espectro de absorcin ptica con respecto a la longitud de onda de la pelcula de CdS sobre vidrio. El inset muestra el espectro de

( )2, donde se ajusta una lnea recta para cuantificar el band gap.

61

Figura 4-4 Muestra las curvas caractersticas de IDS versus VDS para diferentes valores del VGS con canales a) 10, b) 20, c) 40 and 2) 80 micras

62

ix

Figura 4-5 Se muestra DSI

contra VGS para los transistores basados en CdS para distintas

longitudes del canal. Las rectas punteadas corresponden al mejor ajuste de

datos.....

64

Figura 4-6 Muestra las caractersticas de IDS contra VGS para un VDS =40 V para las siguientes longitudes del canal 10, 20, 40 and 80 m.

65

Figura 4-7 Muestra las curvas de la versus VGS para los transistores de CdS con longitudes del canal de 10, 20, 40 y 80 m.

66

Figura 4-8 Micrografa TEM de la Seccin transversal CdS/SiO2/Si

73

Figura 4-9 Seccin transversal de CdS/SiO2/Si a) Tratamiento con forming gas (H2+N2) y CdCl2, b) Tratamiento con forming gas (H2+N2).

73

Figura 4-10 Vista superior mediante micrografas SEM, en la parte izquierda: Tratamiento con forming gas (H2+N2) y CdCl2, en la parte derecha: Tratamiento con forming

gas (H2+N2).

74

Figura 4-11 Las partes a) y c) despliegan la familia de curvas de corriente drenaje-fuente como funcin del voltaje de drenaje fuente, (IDS = ID, VDS = VD) para valores fijos

de voltaje de compuerta de 0 a 40 V con pasos de 10 V (VGS = VG) para dos

transistores de CdS como capa activa, con longitudes de canal de 20 y 40 m.

Adems, fueron sometidos a tratamiento trmico en atmosfera inerte de Argn a

180C. Las partes b) y d) son graficas de log (ID) contra VGS (escala izquierda)

y (ID)1/2 contra VGS (escala derecha) con el fin de medir el voltaje umbral y los voltajes de oscilacin

76

Figura 4-12 Las partes a) y c) despliegan la familia de curvas de corriente drenaje-fuente como funcin del voltaje de drenaje fuente para valores fijos de voltaje de

compuerta de 0 a 40 V con pasos de 10 V para dos transistores de CdS como

capa activa, con longitudes de canal de 40 y 80 m. Adems, fueron sometidos a

tratamiento trmico en atmosfera inerte de Nitrgeno a 180C. Las partes b) y

d) son graficas de log (ID) contra VGS (escala izquierda) y (ID)1/2 contra VGS

(escala derecha) con el fin de medir el voltaje umbral y los voltajes de oscilacin.

77

Figura 4-13 Las partes a), c) y e) despliegan la familia de curvas de corriente drenaje-fuente como funcin del voltaje de drenaje fuente para valores fijos de voltaje de

compuerta de 0 a 40 V con pasos de 10 V para dos transistores de CdS como

capa activa, con longitudes de canal de 20,40 y 80 m. Adems, fueron inmersos

en una solucin saturada de CdCl2 y sometidos a tratamiento trmico en

atmosfera inerte de forming gas a 200C. Las partes b), d) y f) son graficas de

log (ID) contra VGS (escala izquierda) y (ID)1/2 contra VGS (escala derecha) con el

fin de medir el voltaje umbral y los voltajes de oscilacin.

79

Figura 4-14 Comportamiento elctrico de los dispositivos TFT con canal activo de CdS al que se le aplico un tratamiento trmico en atmosfera reductora en forming gas

a 300C. a) Familia de curvas Ids contra Vds de dispositivos TFT con 40 m de

longitud de canal, b) Graficas de log Ids contra Vgs (eje izquierdo) y (Ids)1/2

contra Vgs (eje derecho), medidos a un voltaje constante de Vds =40 V para

dispositivos de 40 m de longitud de canal. Las grficas correspondientes para

el transistor de 80 m de longitud de canal son mostradas en c) y d),

respectivamente.....................................................................................................

81

x

Figura 4-15 Comportamiento elctrico de los dispositivos TFT con canal activo de CdS al que se someti a una inmersin en una solucin de CdCl2 y posteriormente se

le aplico un tratamiento trmico en atmosfera reductora en forming gas a 300C.

a) Familia de curvas Ids contra Vds de dispositivos TFT con 20 m de longitud

de canal, b)Graficas de log Ids contra Vgs (eje izquierdo) y (Ids)1/2 contra Vgs

(eje derecho), medidos a un voltaje constante de Vds =40 V para dispositivos de

20 m de longitud de canal. Las grficas correspondientes para el transistor de

40 y 80 m de longitud de canal son mostradas en c),d), e) y f) respectivamente.

83

Figura 4-16 Sistema fsico que describe la estructura capa por capa de las pelculas de CdS.

89

Figura 4-17 En esta figura se muestran los espectros DRX de las pelculas de CdS para distintas formulaciones M1, M2, M3 y M4

91

Figura 4-18 Calculo de la energa de la banda prohibida con respecto a la concentracin de los reactivos el crecimiento de las capas de CdS

92

Figura 4-19 Las partes a), c), e) y g) muestran las familias de curvas de IDS como funcin de VDS. Las partes b), d, f) y h) son grficos de corriente de drenaje (ID) vs. VGS

(escala izquierda) y (ID) 1/2 vs. VGS (escala de la derecha). Cada conjunto de pares

ordenados (izquierda y derecha) representa uno TFT CdS con longitudes de

canal de 80 micras cuya capa activa est compuesta por una heterounin de dos

capas del mismo material pero con caractersticas diferentes, M4/M1, M4/M2,

M4/M3 y M4/M4, respectivamente.

93

Figura 4-20 Las partes a), c), e) y g) muestran las familias de curvas de la corriente de drenaje como funcin de la tensin de drenaje-fuente. Las partes b), d, f) y h) son

grficos de registro (ID) vs. VGS (escala izquierda) y (ID) 1/2 vs. VGS (escala de la

derecha). Cada conjunto de pares ordenados (izquierda y derecha) representa

uno TFT CdS con longitudes de canal de 40 micras cuya capa activa est

compuesta por una heterounin de dos capas del mismo material pero con

caractersticas diferentes, M4/M1, M4/M2, M4/M3 y M4/M4, respectivamente..

95

Figura 4-21 Las partes a), c), e) y g) muestran las familias de curvas de la corriente de drenaje como funcin de la tensin de drenaje-fuente. Las partes b), d, f) y h) son

grficos de registro (ID) vs. VGS (escala izquierda) y (ID) 1/2 vs. VGS (escala de la

derecha). Cada conjunto de pares ordenados (izquierda y derecha) representa

uno TFT CdS con longitudes de canal de 20 micras cuya capa activa est

compuesta por una heterounin de dos capas del mismo material pero con

caractersticas diferentes, M4/M1, M4/M2, M4/M3 y M4/M4, respectivamente

97

xi

LISTA DE TABLAS

Tabla 2-1 Formulaciones M para pelculas de CdS en Solucin de 50 ml a 70C, Volumen

en (ml) utilizado en la mezcla de reaccin de las pelculas de CdS M1, M2, M3 y

M4............ 17

Tabla 2-2 Formulaciones con Glicina para pelculas de CdS solucin de 50 ml, Volumen

en (ml) a 80C.

17

Tabla 2-3 Valores promedio de energa prohibida de las pelculas producidas por

las formulaciones M1, M2, M3 y M4. 24

Tabla 4-1 Parmetros elctricos de los dispositivos TFT con capa CdS como canal activo tratadas trmicamente en una atmosfera reductora de forming gas (H2+N2) a 100,

200 y 300C, con (CdCl2-N2+H2) y sin previa inmersin en solucin de

CdCl2...

85

Tabla 4-2 Parmetros elctricos de los dispositivos TFT con bicapas CdS como canal activo

con longitud de canal de 80 m

94


con longitud de canal de 40 m...

96


con longitud de canal de 20 m

98

xii

AGRADECIMIENTOS

xiii

RECONOCIMIENTOS

1

CAPTULO 1

INTRODUCCIN

1.1 Antecedentes

El avance tecnolgico en circuitos integrados puede ser atribuido al avance en las tcnicas de

procesamiento de pelculas delgadas, estos avances permiten el desarrollo de muchas aplicaciones en

dispositivos electrnicos, incluyendo los transistores de pelcula delgada (TFT), resistores de alta

precisin, celdas solares, memorias pticas o magnticas, LCD, sensores etc. Los circuitos integrados

fabricados hoy en da hacen posible el procesamiento de informacin y sistemas de comunicacin

cuyo componente principal es el transistor.

En 1820 el cientfico ingls Faraday descubri la ley de induccin magntica por la que una variacin

de flujo magntico produce una fuerza electromotriz. En 1948, Bardeen, Brattain y Shockley hicieron

el gran descubrimiento cientfico que ha cambiado la vida del siglo XX: el transistor; cuando

observaron el efecto, no tenan ni la menor idea, ni podan vislumbrar, sus repercusiones [1]. Toda

la electrnica actual est basada en el transistor, ms o menos compactado con las tcnicas

microelectrnicas. Bardeen, fsico terico, es el nico Premio Nobel doble en fsica, uno por el

2

transistor (1956) y el otro por la teora de la superconductividad (1972). El transistor es el paradigma

ms claro de cmo la ciencia y la tecnologa van abrazadas.

Por lo general, los transistores de efecto de campo metal-oxido-semiconductor (MOSFET) son

construidos a base a Silicio. Este elemento cuenta con la propiedad nica de oxidacin generando

as un aislante excelente y tiene el segundo lugar como elemento ms abundante en la corteza

terrestre.

La microelectrnica ha experimentado un enorme desarrollo, con un rendimiento cada vez mayor de

circuitos integrados, esto ha sido posible gracias a la tecnologa de los transistores modernos. La

reduccin del tamao y la bsqueda para aumentar las capacidades o encontrar nuevas posibilidades

para artculos electrnicos, se enfrenta a limitaciones fsicas y tcnicas de fabricacin cada vez ms

difciles de superar, su futuro desarrollo exige nuevos conceptos y no solamente la optimizacin de

los conceptos actuales.

Las ciencias de materiales permiten un amplio estudio respecto a materiales o combinaciones de

sustancias alternativas a las actuales, para mejorar caractersticas o el rendimiento deseado. Esto se

refiere a semiconductores, metales y dielctricos al mismo tiempo, procesado por tecnologas ms

limpias y mejor controlables, en otras palabras la introduccin de nuevos materiales dentro de lo

tradicional. Por ejemplo el estndar de la tecnologa CMOS (Complementary metal-oxide-

semiconductor) de silicio, que abarca compuertas con alta constante dielctrica (), materiales

alternativos en electrodos fuente y drenaje (source-drain), as como nuevos materiales con

propiedades sobresalientes como canal activo. Los dispositivos para complementar o reemplazar a

los MOSFET de silicio o en su caso descubrir nuevas caractersticas tecnolgicas se estn explorando

[2]. La nanoelectrnica, no obstante, implica ms que solamente una continuada miniaturizacin de

la microelectrnica.

3

Por los ltimos 40 aos el escalamiento del MOSFET la reduccin de sus dimensiones criticas

alrededor de un factor de 2 (cada generacin de tecnologa, aproximadamente 18 meses) a

impulsado la ley de Moore (la duplicacin del nmero de transistores por circuito integrado por cada

generacin de tecnologa). Ahora parece que el MOSFET de silicio alcanzar su lmite de expansin

[3,4], y los dispositivos para complementar o reemplazar el silicio MOSFET se estn explorando [5].

Estas necesidades y la continua bsqueda del desarrollo tecnolgico nos proporcionan un contexto

para explorar nuevos dispositivos y una oportunidad para discutir puntos importantes que implica la

fabricacin de los mismos.

Estas necesidades y la continua bsqueda del desarrollo tecnolgico nos proporcionan un

contexto para explorar nuevos dispositivos y una oportunidad para discutir puntos importantes que

implica la fabricacin de los mismos.

En primer lugar se encuentra el control de la carga proporcionado por un electrodo

(compuerta), que modula la corriente del transistor. La electrosttica es probable que sea igualmente

importante para los transistores (MOSFET) [6]. En los transistores de efecto campo el aislante es una

parte fundamental del dispositivo y de su funcionamiento, que un semiconductor produzca un oxido

de buenas propiedades es lo que da ventaja a los dispositivos de silicio. Para que la estructura del

metal-aislante-semiconductor siga cumpliendo su funcin en reducidos tamaos, el aislante tiene que

ser suficientemente denso como para soportar las tensiones elctricas de manera adecuada.

Recordando que la permitividad es la cualidad intrnseca de cualquier aislante, para sustituir al xido

de silicio, cuya permitividad es de 4, el dielctrico a emplear debe tener una permitividad mayor. El

estudio de las propiedades de otros materiales que puedan cumplir con este requisito resulta

prioritario, algunos ejemplos serian el xido de titanio (TiO2 ), cuya permitividad es de 90, el xido

de hafnio (HfO2) y el xido de zirconio (ZrO2 ) son otros dielctricos que muchos investigadores

4

trabajan y estn dando resultados prometedores. El reto del diseador del transistor es producir una

barrera apropiada de energa entre los contactos fuente (source) y el drenaje (drain) a fin de que el

dispositivo pueda estar apagado y a la vez generando una estructura de compuerta que eficazmente

puede modular la barrera y puede encender el transistor [6].

En segundo lugar implica las caractersticas o propiedades de los dispositivos que los hacen

tiles en alta densidad, sistemas digitales de alta velocidad as como los lmites fundamentales que

implican a cualquier dispositivo de conmutacin electrnico utilizado para la lgica convencional,

digital. Compuestos de pelculas delgadas son depositados en sustratos por diferentes tcnicas de

fabricacin, bao qumico (CBD), Chemical Vapor Deposition (CVD), evaporacin trmica,

evaporacin por haz de electrones y pulverizacin catdica son algunas de las tcnicas usadas para

esta tarea. Las propiedades bsicas de las pelculas, tales como su composicin, su fase cristalina,

morfologa, orientacin, espesor y micro estructura, son controladas por las condiciones de depsito

y del mtodo empleado, por ejemplo: la temperatura de crecimiento, la tasa de crecimiento, el

sustrato, tiempo de depsito, la qumica, etc. Todo esto da como resultado propiedades nicas de un

material producto de un proceso de crecimiento, algunos ejemplos de propiedades esperadas como:

tamao de grano, efectos cunticos, espesor, orientacin cristalina, cambios en la resistividad, efectos

de tensin, etc.

Para el desempeo elctrico correcto que involucra el diseo de un MOSFET (transistor de

efecto de campo metal oxido semiconductor) producir perfiles sofisticados de dopado en dos

dimensiones en un canal tipo p, un oxido de compuerta ultra delgado, y fuertemente dopado,

extensiones poco profundas de contacto fuente y drenaje (source, drain) son necesarias [7]. Dos

compuertas, tres compuertas, todas las compuertas alrededor del MOSFET ofrecen un fuerte control

de la conductividad del canal, que nos permite que los contactos fuente y drenaje puedan ser

colocados ms cerca. La longitud del canal (L), establece la escala del dispositivo. La escala del

5

dispositivo nos da referencia al proceso de reduccin del tamao del dispositivo, un MOSFET

completo es 10 o 15 veces ms grande que L. Las dimensiones asociadas (espesor del xido, poca

profundidad de uniones de extensin, etc.) tambin tienen que ser reducidas acordemente para

mantener buenas caractersticas elctricas.

Los calcogenuros como el ZnS, CdS y CdSe como semiconductores han sido estudiados

como capas activas en el desarrollo de dispositivos, son prometedores en aplicaciones diversas como

biosensores, conversin de energa, celdas solares, dispositivos electro pticos, nano-electrnica y

nano-optoelectrnica, todo esto por sus propiedades pticas y elctricas singulares, como el

confinamiento cuntico en el caso de nano estructuras. Como unidad fundamental en dispositivos as

como nano-dispositivos tales como circuitos integrados, sistemas de visualizacin, la construccin y

visualizacin de los transistores de efecto de campo basados en estos semiconductores, son y estn

siendo intensamente estudiados [8,9].

CdSe es un material semiconductor que presenta normalmente una estructura wurtzita, este cuenta

con ancho de banda prohibida de 1,75 eV a temperatura ambiente propicio para las celdas

fotovoltaicas, diodos emisores de luz, detectores pticos, dispositivos opto-electrnicos, transistores

de pelcula delgada (TFT) as como pantallas de LCD de alto brillo. Al emplearlo como nanocristal

se han encontrado importantes aplicaciones, etiquetando biomolculas, diodos emisores de luz. En

particular su radio de Bohr del xiton es de 5.7 nm, que es mayor que GaN que tiene un 2.8 nm y el

del ZnO de 2.34nm, lo que permite la posibilidad de emplear el efecto de confinamiento cuntico en

dispositivos prcticos [10,11].

CdS es un material prometedor para la deteccin de luz visible debido a su banda prohibida primaria

de 2.4 eV, este compuesto semiconductor cuenta con buenas propiedades fotoconductoras en el

dominio visible del espectro electromagntico (400-600 nm) [8].Debido a esta variedad de

6

aplicaciones, diversos mtodos se han empleado para el depsito de capas de ZnS, CdS y CdSe tales

como la deposito por bao qumico, evaporacin al vaco, pulverizacin catdica (sputtering). Una

de las principales ventajas de la pulverizacin catdica en comparacin con otros mtodos es la

ausencia de contaminacin, Por otra parte, un control ms flexible de la cantidad de concentracin de

huecos, es posible mediante la realizacin de la pulverizacin en un ambiente H2Se [8,9], Adems el

proceso de pulverizacin catdica es adecuado para el depsito en sustratos de gran superficie en

produccin en serie.

Comparando los mtodos de vaco con el mtodo de bao qumico, el depsito por bao qumico es

una tecnologa de bajo costo, no requiere un sistema de alto vaco, fuentes de alimentacin, bombas

de vaco u otro equipo costoso. El proceso del bao qumico tan solo puede ser controlado

modificando las concentraciones de los reactivos presentes en la solucin, ajuste del pH, temperatura

y tiempo de exposicin del sustrato. En este caso con el bao qumico tambin se puede emplear para

el depsito de sustratos de gran rea.

Un transistor de efecto de campo (FET) puede ser elaborado en forma de un transistor de pelcula

delgada (TFT); sus principios de funcionamiento son similares a las del transistor de efecto de campo

metal xido semiconductor (MOSFET). TFTs de compuerta comn son relativamente fciles de

fabricar, primero depositando la capa activa de semiconductor sobre un substrato de SiO2/Si para

obtener el sistema de semiconductor dielctrico del dispositivo. Entonces, dos contactos metlicos

paralelos se depositan sobre la capa semiconductora como contactos de fuente / drenaje (drain y

source), seguido de un contacto de metal en la parte posterior de la oblea de silicio, que acta como

la puerta (gate) comn del transistor. Mediante el anlisis de la respuesta elctrica de estos

dispositivos conclusiones importantes pueden alcanzarse con respecto a las caractersticas fsicas de

los semiconductores y capas dielctricas. Por lo tanto, el empleando esta metodologa para crear

dispositivo nos permitir el estudio para optimizar las caractersticas de semiconductor y capas

7

dielctricas como una funcin de parmetros de deposicin y post-deposito. Adems, los dispositivos

TFT FET se han estudiado intensamente para posibles aplicaciones en dispositivos qumicos,

fotodetectores, biosensores y pantallas planas [12-15]. De hecho, otra aplicacin importante de

pelculas de CdS ha sido como capa activa en los dispositivos de TFT. CdS como capas activas han

demostrado un buen rendimiento con movilidad de canal comparable a las de los de silicio amorfo,

son capas semiconductoras de CdS empleadas actualmente en pantallas de cristal lquido de matriz

activa. Para esta aplicacin, las caractersticas de CdS como capas activas obtenidas por el mtodo de

bao qumico (CBD) son muy adecuadas y una serie de documentos se han publicado sobre el

desempeo de CdS depositados qumicamente como capas activas en dispositivos TFT [16-18]. En

nuestro grupo, hemos desarrollado un mtodo CBD sin amoniaco, basado en citrato de sodio como

agente acomplejante para obtener pelculas delgadas de CdS con excelente cristalinidad y

caractersticas pticas [19-21]. Estas capas de CdS por CBD libres de amonaco han demostrado muy

buen desempeo como capas ventana en celdas solares de CdS-CdTe y en capas activas en

dispositivos TFT [15, 22]. Estas capas CdS han mostrado movilidades de canal del orden de 10-1 y

25 cm2V-1s-1 en dispositivos TFT utilizando capas de SiO2 y HfO2 como el dielctrico

respectivamente [15, 23]. Para el caso de los dispositivos con capa dielctrica de SiO2 se encontr

que el tratamiento en forming gas (N2-H2) mejora considerablemente la respuesta elctrica de los

dispositivos.

8

1.2 Objetivo General

Optimizar el proceso de depsito por bao qumico (DBQ) de pelculas de CdS empleando diferentes

soluciones para su aplicacin como capa activa en el desarrollo de transistores de efecto de campo

(FET), con la finalidad de optimizar las caractersticas elctricas de los dispositivos.

1.3 Objetivos Particulares

Desarrollar procesos de depsito de pelculas de CdS por bao qumico y optimizar el

proceso.

Caracterizar pelculas del compuesto CdS con diferentes formulaciones mediante

Microscopa electrnica de barrido (SEM), Difraccin de rayos x (XRD) y espectroscopia

UV-VIS.

Fabricar Transistores de Efecto de Campo.

Caracterizar elctricamente los TFT FETs.

Estudio comparativo de las caractersticas elctricas de los FETs elaborados mediante las

diferentes formulaciones.

1.4 Hiptesis de trabajo

Mediante el empleo de pelculas semiconductoras de Sulfuro de Cadmio (CdS) como capa activa, se

pueden fabricar transistores de efecto de campo que presentarn buenas caractersticas elctricas y

comportamientos tpicos de este dispositivo.

9

CAPITULO 2

METODOLOGIA

2.1 Bao Qumico

Las pelculas delgadas son capas de materiales delgados con espesores que van desde algunos cuantos

nanmetros hasta algunos cientos de micrmetros, las cuales son creadas por condensacin una a una

de materia, como tomos o molculas. La fabricacin de pelculas delgadas es ampliamente conocida

como una tecnologa tradicional ya establecida debido a que ha estado presente en nuestras vidas

desde hace mucho tiempo en el desarrollo de aplicaciones tales como dispositivos electrnicos,

recubrimientos pticos, celdas solares, foto detectores y circuitos CMOS. Sin embargo, pese a los

tiempos transcurridos esta tecnologa sigue siendo desarrollada diariamente ya que es una llave en el

progreso tecnolgico actual [24]. Las propiedades bsicas de las pelculas, tales como su

composicin, su fase cristalina, morfologa, orientacin, espesor y micro estructura, son controladas

por las condiciones de depsito y el mtodo empleado, por ejemplo: la temperatura de crecimiento,

la tasa de crecimiento, el sustrato, tiempo de depsito, la qumica, etc. Todo esto da como resultado,

propiedades nicas de un material producto de un proceso de crecimiento, algunos ejemplos de

propiedades esperadas como: tamao de grano, efectos cunticos, espesor, orientacin cristalina,

cambios en la resistividad, efectos de tensin, etc. [24]. El avance tecnolgico en circuitos integrados

puede ser atribuido al avance en las tcnicas de procesamiento de pelculas delgadas, estos avances

permiten el desarrollo de muchas aplicaciones en dispositivos electrnicos, incluyendo los

transistores de pelcula delgada (TFT), resistores de alta precisin, celdas solares, memorias pticas

o magnticas, LCD, sensores etc.

10

2.2 Sulfuro de Cadmio (CdS)

El sulfuro de cadmio es un semiconductor del grupo II-VI y tiene un gran potencial de

aplicaciones en dispositivos optoelectrnicas y microelectrnicas, algunos ejemplos de estos son,

fotosensores, filtros de radiacin, celdas solares (como ventana ptica), etc. [25-28]. Las pelculas

resultantes por la tcnica de bao qumico son policristalinas y toman colores desde el amarillo hasta

el naranja, estas son pelculas homogneas y el texturizado de su superficie depende tanto de las

condiciones de depsito como del sustrato. Algunas propiedades qumicas importantes de esta

compuesto son su estabilidad qumica en solucin acuosa, as como su capacidad nula de disolverse

en agua, posee un alto punto de fusin, y esto hace al sulfuro de cadmio un material semiconductor

ideal para ser sintetizado por medios qumicos.

Este semiconductor puede existir en fase cubica (zincblenda) as o en fase hexagonal

(wurtzita) o como una mezcla de ambas. La fase wurtzita tiene constantes de red = 4.14 y =

6.71 . Y la fase Zincblenda, constante de red = 5.82 . La fase hexagonal es ms estable que la

fase cubica y en ambas estructuras, tanto el Cd como el S presentan nmeros de coordinacin 4. El

CdS tiene un ancho de banda de energa prohibida de 2.58 eV a 0K, y 2.54 eV a 300K. Su constante

dielctrica esttica es de 8.9 y su movilidad de electrones a 300K es de 210 cm2/V-s. Posee una masa

molecular de 144.46 g/mol, tiene una densidad promedio de 4.826 g/cm3. En el caso de la fase

Zincblenda presenta un punto de fusin de 1477C mientras que para la fase wurtzita de 1750C [25-

29].

11

2.3 Fundamentos del depsito por bao qumico (DBQ)

La tcnica DBQ es un mtodo sencillo y de bajo costo, el cual no requiere de equipo

sofisticado y que debido a su simplicidad puede implementarse en cualquier laboratorio. En esta se

pueden obtener pelculas uniformes, adherentes y reproducibles hasta dimensiones a gran escala para

diferentes aplicaciones. Es una tcnica para depositar y crecer pelculas sobre un sustrato slido a

partir de una reaccin que ocurre en una solucin. Se parte de una solucin acuosa de sales de los

elementos del compuesto que se desea obtener. Se requiere que el compuesto a depositar sea

relativamente insoluble y qumicamente estable en la solucin para que se d una precipitacin

simple en una reaccin inica. El sustrato es sumergido en esta solucin y a la vez la solucin es

sometida a calentamiento constante por un tiempo determinado, siendo estos los parmetros de

depsito y los que proporcionan las propiedades de la pelcula, juntos con las concentraciones de

elementos en la solucin. Su implementacin es relativamente simple; no requiere atmosfera

especial, la temperatura de depsito es baja, en la superficie del sustrato ocurre una reaccin qumica

llevando a la formacin de la pelcula, es posible obtener grandes reas de pelcula y de buena calidad.

Los elementos que forman esta solucin serian: un compuesto que aporte los iones metlicos,

otro de fuente de los iones no metlicos, un agente acomplejante y uno que proporcione OH para

regular el pH [30,31]. Dando un ejemplo, refirindonos al CdS y en general, podemos decir que

Figura 2-1 Esquema del bao qumico.

12

existen tres componentes bsicos del bao qumico como fue mencionado antes: la fuente del ion

metlico en las pelculas de CdS seria, el Cd (NO3 4H2O), la fuente que suministra los iones OH-

(pH alcalino 11) seria NH4Cl/NH4OH, la fuente del ion no metlico la tiourea [CS (NH2)2] y como

agente acomplejante la glicina (C2H5NO2).

El pH de una solucin est definido como el logaritmo negativo de la concentracin

de iones hidrgeno en la solucin, las soluciones por bao qumico tienen lugar en soluciones bsicas

con valores de pH tpicos de 9-12. Los hidrxidos de reacciones intermedias en estos depsitos son

a menudo importantes, por ejemplo, el pH del agua pura a 25 C es 7 y el producto inico [H+][OH-

]=10-14, este producto inico es muy dependiente de la temperatura, as la concentracin de [OH-] a

cualquier pH particular varia. Tambin el pH es muy sensible a pequeas concentraciones de cidos

y bases por esta razn el pH de las soluciones es estabilizado por medio de un buffer.

2.4 Cintica de bao qumico

En el mtodo de bao qumico, como su nombre lo establece, consiste en formar un producto deseado

con base en una mezcla de reactivos bajo ciertas condiciones termodinmicas e iniciales. La cintica,

adems de monitorear las modificaciones de los reactivos y productos con respecto al tiempo

involucra los diferentes caminos para que se den los diferentes productos. Los caminos pueden variar

fuertemente dependiendo de las concentraciones iniciales como se puede observar en distintos

trabajos de investigacin [32, 33]. En este contexto, se ha observado que en la cintica de crecimiento

de pelculas hay tres regiones, los cuales consta inicialmente de una reaccin prcticamente de orden

cero, despus, de primer orden y finalmente, una regin de crecimiento nulo, este tipo de cintica de

crecimiento es usual independientemente del camino que se lleve a cabo para alcanzar el producto.

Entre los caminos o mecanismos de la reaccin que se manejan en el bao qumico son el de ion por

ion, el agregado por agregado.

http://es.wikipedia.org/wiki/Carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno

13

En el mecanismo ion por ion ocurre por reacciones inicas consecutivas, por ejemplo, para el caso de

CdS tenemos

2+ + 2

Si el producto de las concentraciones de los iones de [2+][2] es mayor al producto de solubilidad

, entonces se formar CdS en fase slida. La descomposicin del ion calcogenuros se puede

controlar mediante la temperatura, el pH y la concentracin inicial. Hasta un cierto punto, la velocidad

de reaccin se puede controlar con el pH, concentracin inicial y la temperatura del bao qumico,

pero los mecanismos de reaccin pueden variar.

Como se mencion en el bao qumico es necesario tener un ion complejo para mantener al ion

metlico en solucin, previniendo la precipitacin de dicho ion metlico. El mecanismo de reaccin

de agregado por agregado por la formacin de CdS es

2+ + 2 ()2

()2 + 2 + 2

Es importante mencionar que al inicio del depsito se adhiere el hidrxido de cadmio al sustrato, y

el proceso se da por una reaccin de sustitucin sobre esa fase slida, ya que, la energa libre del

es ms negativa que la de ()2.

Figura 2-2 Curva tpica del espesor de la pelcula respecto al tiempo.

14

Figura 2-3 Mecanismo ion por ion. A: Difusin de los iones Cd2+ y S2- hacia el sustrato. B:

Nucleacin de los iones sobre el sustrato formando ncleos de CdS. C: Crecimiento de los

ncleos de CdS por adsorcin de los iones Cd2+ y S2- presentes en la solucin y formacin de

nuevos ncleos cristalinos. D: Crecimiento continuo delos cristales, se adhieren unos a otros

por fuerzas de Van der Waals.

Figura 2-4 Mecanismo de hidrxidos. A: difusin de partculas coloidales hacia el sustrato.

B: Reaccin con los iones sulfuro produciendo el cadmio del CdOH en CdS. C: ocurre tanto

en las partculas coloidales adheridas a la superficie del sustrato, como en las dispersas en la

solucin. D: la reaccin contina hasta que la mayora delos hidrxidos se convierte en CdS.

E: las partculas de CdS formadas se adhieren una a otras dando lugar a una pelcula de CdS,

pero las partculas no adheridas se agregan y precipitan en la solucin.

15

En otras palabras, en el general, se conoce que el control de la velocidad de reaccin puede estar

acompaada de una generacin lenta de iones metlicos (Cd2+) y S2- en solucin, la concentracin de

iones metlicos libres en solucin se controla mediante un agente acomplejante tambin llamado

ligando, este tiene la funcin de ir depositando los iones metlicos de una manera controlada y

constante, la falta de este control provocara que no haya un depsito de la pelcula ya que este

qumico tiene como funcin reducir la concentracin de iones, atrapando los iones metlicos y

liberndolos lentamente, ayudando a prevenir una precipitacin rpida de hidrxidos metlicos [28].

La concentracin de iones metlicos libres en la solucin a cierta temperatura est determinada por

una constante de equilibrio de reaccin denominada constante de estabilidad del ion complejo. Por

otra parte, la velocidad de generacin de S-2 en otras palabras la velocidad de reaccin, puede

controlarse a travs de la concentracin del precursor S-2, la temperatura y el pH de la solucin.

El proceso de formacin de las pelculas por este mtodo, se realiza en cuatro etapas de crecimiento

del material: incubacin, nucleacin, crecimiento y finalizacin. Cada etapa se caracteriza por

diferentes reacciones qumicas y por distintos parmetros de reaccin en general en estas etapas se

dan colisiones entre iones individuales o molculas formndose ncleos inestables los cuales crecen

colectando espacies individuales (iones, tomos o molculas) que siguen colisionando con otros

ncleos hasta formar partculas estables [28,32].

En la etapa de incubacin todos los reactivos participantes en la solucin llegan a un equilibrio

qumico, por ejemplo en el CdS, esto implica que la sal de cadmio se disocia liberando los iones de

Cd2+ para que sean atrapados por el agente acomplejante y en esta misma etapa la fuente de iones

azufre comienza a liberarlos [30], en otras palabras, La etapa de nucleacin consiste en el

recubrimiento de la superficie del sustrato de ncleos de hidrxido del metal estudiado, dichos

16

hidrxidos luego son removidos por una capa de iones no metlicos. Refirindonos de nuevo al

ejemplo del CdS, en esta etapa el sustrato es cubierto por ncleos de precipitado que son hidrxidos

de cadmio (Cd (OH)2) que se adhieren a la superficie del sustrato, despus estos mismo hidrxidos

sufren una sustitucin, el (OH)- es desplazado por el ion S2-, esto da lugar a que se forme la primera

capa de semiconductor [30].

Las pelculas delgadas obtenidas por la tcnica de Bao Qumico como con otras tcnicas se buscan

alcanzar las propiedades electro ptico y estructural necesarias para la determinada aplicacin como

una celda solar, transistores, etc. Por este motivo una manera de mejorarlas es implementando

tratamientos trmicos a diferentes temperaturas y exponindolas a diferentes atmosferas.

2.5 Metodologa para la sntesis de pelculas por DBQ

Para llevar a cabo el depsito de las pelculas de CdS implementadas en nuestra investigacin

plasmada a lo largo de las secciones siguientes, se prepararan las soluciones por bao qumico

referidas en la Tabla2-2 y en la Tabla 2-1, se estudiaron 4 tipos de pelculas, se tom como base la

M1 y se fue diluyendo para formar las formulaciones M2, M3 y M4 manteniendo la misma relacin

de iones cadmio/acomplejante y de iones cadmio/ tiourea. Las concentraciones de Cd2+ al inicio de

la reaccin fueron 1.12, 0.84, 0.76 yo.56 mg/ml para las formulaciones M1 ala M4, respectivamente.

Las razones de [Cd2+]/ [tiourea] y [Cd2+]/ [citrato] fueron 0.2 y 0.1 M/M respectivamente y se

mantuvieron constantes entre las soluciones.

Tabla 2-1. Formulaciones M para pelculas de CdS en Solucin de 50 ml a 70C, Volumen en (ml)

utilizado en la mezcla de reaccin de las pelculas de CdS M1, M2, M3 y M4.

17

M1 M2 M3 M4

CdC2l (0.05M) 10 7.5 6.75 5

C6H5O7Na3 (0.5M) 10 7.5 6.75 5

KOH (0.5) 2.5 2.5 2.5 2.5

Buffer boratos pH 10 2.5 2.5 2.5 2.5

CS(NH2)2 (0.5M) 5 3.75 3.35 25

H2O desionizada 20 26.25 28.15 32.5

Tabla 2-2. Formulaciones con Glicina para pelculas de CdS de solucin de 50 ml, Volumen en (ml)

a 80C.

Precursores para el CdS (80C) ml

1.-Cd (NO3) 4H2O 0.1M 4

2.-Glicina (C2H5NO2) 0.5 M 5

3.-Buffer Ph11 NH4Cl/NH4OH - 2

4.-CS(NH2)2 (Tiourea) 1M 5

5.-H2O 31

El arreglo experimental consisti de un vaso de precipitados de vidrio de 100 ml como

reactor, este contendr la solucin y los sustratos sumergidos en forma vertical, limpios y secos,

apoyados en sus paredes. A su vez este reactor ser sumergido en un bao de agua a temperatura

controlada (figura 2-5), en todos los casos esta temperatura ser de 70C (tabla 2-1). En el reactor se

agregaron consecutivamente los reactivos dependiendo de la solucin deseada ya sea M1, M2, M3,

M4 o la formulacin con glicina. Una vez transcurrido el tiempo de reaccin deseado dependiendo

del tipo de reaccin o formulacin empleada se retiraran los sustratos y se lavaran con agua corriente

18

adems hacindoles pasar un algodn hmedo para retirar el exceso de partculas no adheridas a la

superficie de la pelcula y finalmente se enjuagan con agua desionizada y se secaran al aire.

Por cada vaso de reaccin se obtiene de 1 a 5 muestras, cada una con tiempos de depsito

diferentes de 15, 20, 30, 60 y 90. Se obtuvieron diferentes tipos de pelculas de CdS segn la reaccin

empleada. Las pelculas obtenidas fueron de color amarillas, con reflexin especular y mostraron

buena adherencia al substrato de vidrio.

2.6 Resultados y discusin de pelculas de CdS

En las siguientes figuras se grafican los resultados de los espesores, patrones de difraccin

de rayos X y Constantes de Red de las muestras M1, M2, M3 y M4. Como se observa en la figura

2-6, las cinticas de crecimiento de las series son distintas, lo que se atribuye a las diferentes

concentraciones de Cd en las formulaciones por bao qumico. En general el ndice de crecimiento

en las primeras etapas es rpido, disminuyendo su rapidez hasta alcanzar un tiempo en el que estas

curvas saturan en donde se alcanza un espesor final de las pelculas, para cada formulacin este

tiempo de saturacin es diferente siendo esto producto del agotamiento de los reactivos. El espesor

Figura 2-5 Pelculas de CdS en Solucin M2.

19

de las pelculas M4 es de aproximadamente entre 45 y 60 nm, casi constante para todos los tiempos

de depsito, lo que indica que la cintica de crecimiento de esta reaccin se encuentra en la etapa de

saturacin. La caracterstica principal observada en la figura es la evolucin de los espesores de las

pelculas que se incrementa dependiendo de la concentracin de los iones de cadmio en el proceso de

bao qumico, se produce un espesor final de la pelcula y tambin un mayor tiempo efectivo de

terminacin, el cual se relaciona con el tiempo necesario para alcanzar el espesor final. Los espesores

finales de cada tipo de crecimiento fueron de 180-160, 130-120, 90 -75 y 45-60 nm, para las pelculas

M1, M2, M3 y M4 respectivamente.

0 20 40 60 80 100 120

0

25

50

75

100

125

150

175 M1

M2

M3

M4

ES

PE

SO

RE

S (

nm

)

TIEMPO DE DEPSITO (min)

En las figuras 2-7, 2-8 y 2-9 se muestran los patrones de difraccin de rayos-X de las series

de pelculas. Todas las pelculas de CdS tienen una estructura cristalina hexagonal (wurtzita) la cual

Figura 2-6 Espesores de pelculas de CdS de

formulacin M1, M2, M3 y M4.

20

corresponde al PDF#14-1049. Estos patrones muestran un pico intenso alrededor de 26.5o, el cual

coincide con la lnea de difraccin (002) y seales ms dbiles en los planos 28.2o, 48.1o y 52o de la

fase cristalina hexagonal de CdS, respectivamente. Otra caracterstica a observar en estos patrones es

que, debido al incremento del espesor de las pelculas, la seal de difraccin correspondiente al plano

(002), se vuelve ms intensa conforme aumenta el tiempo de depsito. Los patrones de difraccin de

las series ms diluidas tambin muestran la seal de difraccin (002), sin embargo su intensidad es

menor debido a que estas muestras son bastante ms delgadas.

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Serie M1

120 min

90 min

60 min

30 min

15 min

(00

2)

INT

EN

SID

AD

(U

.A.)

2 THETA (GRADOS)

Figura 2-7 Patrones de difraccin de DRX de pelculas

de CdS de formulacin M1.

21

15 20 25 30 35 40 45 50 55

(10

3)

Serie M2

120 min

90 min

60 min

30 min

15 min

(002)

INT

EN

SID

AD

(U

.A.)

2 THETA (GRADOS)

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Serie M3

120 min

90 min

60 min

30 min

15 min

(002

)

INT

EN

SID

AD

(U

.A.)

2 THETA (GRADOS)





22

En la figura 2-10, a partir de los valores de 2 se determin el valor de la constante de red a todas

las pelculas de CdS preparadas. Conforme la concentracin de Cd de la solucin decrece la constante

de red de las pelculas incrementa. Haciendo una comparacin con el valor de la constante de red

en Bulto del CdS de 6.713 , para la pelcula M4 la constante de red es aproximadamente el mismo.

En los otros casos por ejemplo para las pelculas M3 y M2 el valor promedio de la constante es 6.693

y 6.697 respectivamente, los cuales representan compresiones del 0.3 y 0.23 % respectivamente

del valor del Bulto. El caso para la pelcula con mayor concentracin de reactivos M1 la constante de

red es 6.670 el cual es 0.65% menor que el valor de la del CdS Bulto en. Las pelculas M1, M2

y M3 se encuentra bajo esfuerzos de tensin a lo largo de la interfaz substrato-pelcula que es

comnmente observado en depsitos de CdS por bao qumico [31-33]. No existe una dependencia

clara de la variacin en la concentracin de Cd en solucin, con el tamao de grano. Los valores

promedio de este parmetro estructural para las serie M1, M2, M3 y M4 son de 19, 23, 22 y 19 nm

respectivamente.

Figura 2-10 Constantes de Red c de las pelculas de CdS M1,

M2, M3 y M4 en funcin del tiempo de depsito.

23

En la figura 2-11, se midieron los espectros de transmitancia y reflectancia de las pelculas bajo

incidencia normal y en la regin del espectro UV-VIS. Las muestras depositadas por bao qumico

sobre sustratos de vidrio fueron recubiertas por un lado del sustrato con cinta capton. Se utiliz un

espectrofotmetro de transmisin y reflexin Film Tek 3000 con las condiciones de medicin:

Incidencia normal, intervalo espectral de 240 a 840 nm, tamao de punto de medida de 5 mm,

resolucin espectral de 0.36 nm y tiempo de adquisicin de datos de 5 seg. Se observa que borde de

absorcin del CdS se encuentra alrededor de los 480 nm con valores de transmitancia entre 70 y 90

% en longitudes de onda mayores del borde de absorcin. Los porcentajes de la reflectancia son de

6 a 32 % en todo el intervalo de longitudes de onda. La posicin del borde de absorcin se mueve

ligeramente hacia longitudes de onda mayores, respecto al borde de la pelcula M1 conforme

disminuye la concentracin de los reactivos, lo que implica una disminucin del gap de las pelculas

de M1 a M4.

Algunas propiedades como la energa de la banda prohibida () pueden ser sintonizadas en

un pequeo rango como funcin de la concentracin de cadmio en la solucin de reaccin (Tabla 2-

3). Los resultados experimentales muestran que el sistema cadmio-citrato produce el depsito de

pelcula de CdS altamente orientadas y con sintonizable entre 2.29 y 2.51 eV.

24

300 400 500 600 700 800

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

15 min

30 min

60 min

90 min

120 min

CdS/Vidrio M1

Re

fle

cta

nc

ia y

tra

ns

mit

an

cia

(%

)

Longitud de Onda (nm)

T

R

300 400 500 600 700 800

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CdS/Vidrio M2

Re

fle

cta

nc

ia y

tra

ns

mit

an

cia

(%

)


T

R

300 400 500 600 700 800

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CdS/Vidrio M3

Re

fle

cta

nc

ia y

tra

ns

mit

an

cia

(%

)


T

R

300 400 500 600 700 800

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CdS/Vidrio Y4

Re

fle

cta

nc

ia y

tra

ns

mit

an

cia

(%

)


T

R

Tabla 2-3 Valores promedio de energa prohibida de las pelculas producidas por las formulaciones

M1, M2, M3 y M4.

M1 M2 M3 M4

Vidrio 2.51 eV 2.45 eV 2.40 eV 2.29 eV

Figura 2-11 Espectros de Reflectancia y transmitancia para las formulaciones M1,

M2, M3 y M4 para tiempos de 15, 30, 60, 90 y 120 minutos.

25

En la figura 2-12 se muestran las imgenes de SEM correspondientes a la superficie de las pelculas

M1, M2 y M3, de 60 min de depsito, en donde se observa la evolucin de la morfologa superficial

con la concentracin de Cd++ en el proceso de depsito. La superficie de la pelcula M3 es ms lisa y

de menor nmero de agregados mientras que las de la M2 y M1 presentan una estructura granular

mejor definida as como mayor cantidad de agregados dispersos.

Las imgenes obtenidas por SEM exhiben la topografa de las pelculas M2 depositadas durante 15,

60 y 90 min en la figura 2-13. En esta figura se observan las caractersticas tpicas de la morfologa


para las formulaciones M1, M2 y M3 en 60 minutos.


para la formulacin M2 para depsitos de 15, 60 y 90minutos.

26

superficial de pelculas policristalinas de CdS depositadas por DBQ; la superficie muestra una

estructura granular de pequeas unidades cuyas fronteras estn bien definidas, la otra caracterstica

es la presencia de agregados grandes de CdS dispersos en la superficie de la pelcula. Adems se

observa que el tamao y nmero de agregados se incrementa con el tiempo de depsito, debido a que

la adhesin de los agregados es ms probable a tiempos de depsito largos, cuando su concentracin

y tamao en solucin es mayor.

Por lo anterior, podemos observar que existen distintas formulaciones para sintetizar pelculas del

semiconductor CdS y dependiendo de condiciones iniciales (cantidad de reactivos) la propiedad de

la banda prohibida puede variar. Por otro lado, la constante de red depende del tiempo de depsito

implicando distintos esfuerzos entre el sustrato y la pelcula de CdS.

27

CAPITULO 3

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET)

3.1 INTRODUCCION

La bsqueda de un mtodo para controlar la corriente que puede circular en el interior de un slido la

extendi Lilienfeld por una idea relativa a un trodo de estado slido. El concepto bsico del

dispositivo y el de los transistores modernos de efecto de campo consiste en inducir cambios en la

carga libre de un conductor, modificando el potencial de otro conductor cercano. La carga modulada

inducida puede dar como resultado una corriente modulada en el primer semiconductor. Es preciso

satisfacer dos condiciones para que el dispositivo de efecto de campo pueda proporcionar una

amplificacin: la primera es, la cantidad de carga que puede inducirse en el canal conductor debe ser

una fraccin grande de la carga libre normalmente presente en el canal y la segunda, la carga inducida

debe ser mvil. La primera de estas condiciones impide que el trodo de efecto de campo consista,

simplemente, en un par de placas metlicas. En lugar de ello, es necesario utilizar materiales con una

menor densidad de cargas libres, es decir, semiconductores [34]. La velocidad y las dimensiones del

dispositivo son controladas por geometras definidas litogrficamente.

Una consideracin importante en la fabricacin de estos dispositivos es el proceso de aislamiento de

la compuerta con respecto al flujo de corriente del canal. Este aislamiento conduce a dispositivos

diferentes segn sea la forma en que se efectu. En este captulo se realiza una revisin de los

conceptos ms importantes de transistores FET, su clasificacin y principales caractersticas. Adems

se presenta el proceso de fabricacin usado en el desarrollo del FET a base de capas CdS como canal

activo que se emple en este trabajo.

28

3.2 Dielctrico (SiO2)

En un semiconductor como el Silicio la conductividad puede ser variada introduciendo impurezas,

por consecuencia se forman materiales tipo-n y tipo-p, cuando estos materiales son unidos, estas

regiones o unin puede adquirir nuevas propiedades. Dndole orden a estas uniones en ciertas

estructuras fsicas y combinando estas con otras se pueden construir dispositivos semiconductores.

Por mencionar algunas ventajas del SiO2 tenemos:

a) Referente a la proteccin de la superficie fsica y los dispositivos subyacentes, estas capas

son muy densas, poco porosas y muy duras actuando como una barrera de contaminacin

impidiendo fsicamente que la suciedad del ambiente alcance la superficie sensitiva de la

oblea, as como la dureza de la pelcula protege la superficie de la oblea de raspones y abusos

en los procesos de fabricacin.

b) Provee de una proteccin de la qumica de la naturaleza, a pesar de la limpieza del ambiente

en la que es procesada, algunos contaminantes (inicos mviles) elctricamente en ejecucin

terminan dentro o en la superficie de la oblea.

c) Se requiere slo una pelcula de dixido de silicio relativamente delgada para evitar que las

impurezas alcancen la superficie del silicio.

d) Su coeficiente de expansin trmica es cercano al del silicio, por lo tanto, el dixido de silicio

se expande y se contrae en la misma proporcin que el silicio, lo cual quiere decir que la

oblea no distorsionar durante el calentamiento y enfriamiento.

De todas las ventajas del silicio para la formacin de dispositivos semiconductores, la facilidad de

crecer una pelcula delgada de dixido de silicio es quiz lo ms til. Cada vez que una superficie de

silicio est al descubierto en presencia de oxgeno o a elevadas temperaturas, en la superficie se crece

dixido de silicio, este proceso es llamado Oxidacin Trmica. Aunque el silicio es un material

semiconductor, el dixido de silicio es un material dielctrico. Esta combinacin da lugar a una

29

interface ms comnmente usada en dispositivos de silicio para inducir carga cuando se combinan

con otra capa semiconductora [35].

3.3 Clasificacin de los FET

El FET se puede clasificar en tres familias, segn como el capacitor de la compuerta sea formado.

IGFET (FET de compuerta aislada) el aislamiento de la compuerta se consigue mediante un aislante

entre la compuerta y el canal activo, JFET (FET de unin) se utilizan uniones p-n en polarizacin

inversa para aislar la compuerta, y los MESFET (metal-semiconductor FET) la compuerta forma una

barrera Schottky con el semiconductor.

A su vez podemos dividir los IGFET en MOSFET/MISFET (metal-aislante-semiconductor FET) y

HFET (heterounin FET). En un MOSFET se crece una capa de xido a diferencia del MISFET en

el que el aislante es un dielctrico depositado [36].

En los transistores como el JFET, MESFET Y HFET los electrones libres en el canal del dispositivo

son proporcionados por adulteracin del canal. Otra manera para crear portadores libres en un canal

es por el proceso de inversin. Para lograrlo se deber de conseguir un excelente aislamiento entre la

compuerta y el canal mediante un material con banda de separacin grande, de otro modo habra una

gran corriente entre la compuerta y el canal abatiendo as el papel de la compuerta [37]. Solamente

para el Si han sido capaces los cientficos de hallar un aislante adecuado de este tipo. Este aislante es

el SiO2 que es producido con una interfaz de muy alta calidad con Si.

Nos enfocaremos en las caractersticas de los MOSFET por ser la estructura ms ampliamente usada,

que se encuentra en cada circuito digital, as como las facilidades que nos brinda la interface SiO2/Si

y por ser la estructura empleada en el dispositivo construido.

30

3.3 MOSFET

Los FET como los MOSFET son dispositivos unipolares que involucran ya sea electrones o huecos

en el proceso de conduccin. Este dispositivo consiste en un canal activo a travs del cual los

portadores mayoritarios fluyen desde el contacto fuente hasta el contacto drenaje. La funcin bsica

del transistor es controlar el flujo de corriente por medio de una restriccin o apertura del canal de

conduccin, entre los dos electrodos mencionados antes fuente y drenaje, esta anchura del canal es

modulada mediante un potencial aplicado a la compuerta, esto implica entonces la modulacin de

la corriente que fluye por el mismo [38].

Hay dos tipos de MOSFET, incrementales (enhancement-type) y decrementales. (Depletion-type).

Los MOSFET de tipo decrementales estn normalmente encendidos (el canal es esencialmente

conductivo) el mximo de corriente fluye del drenaje a la fuente cuando no hay diferencia en el voltaje

que se aplica entre las terminales compuerta y la fuente (VGS=VG-VS=0V). Sin embargo si un voltaje

es aplicado en su compuerta, el canal drenaje-fuente se vuelve ms resistivo. Los MOSFET de tipo

incremental estn normalmente apagados (tienen normalmente un canal resistivo, ah pocos

portadores de carga dentro de este) el mnimo de corriente fluye del drenaje a la fuente cuando

VGS=0V. Sin embargo si un voltaje es aplicado a su compuerta, el canal drenaje- fuente se hace menos

resistivo. Existen dos formas, canal-n y canal-p para ambos tipos de MOSFET, incremental y

decremental donde los portadores de carga como los electrones (canal-n) o los huecos (canal-p) estn

presentes dentro de los canales. Ambos tipos de MOSFET, emplean el campo elctrico producido por

un voltaje en la compuerta y este altera el flujo de los portadores de carga a travs del semiconductor,

canal drenaje-fuente.

31

3.4 Capacitor Metal-Oxido-Semiconductor

El capacitor MOS constituye la parte fundamental de la estructura de los dispositivos MOSFET, cuyo

arreglo y diagrama de bandas en condiciones de polarizacin esttica se muestran en las figura 3.1 y

3.2. Una capa de xido (SiO2) es crecida en la parte superior de un semiconductor tipo-n y sobre esta

es localizado un metal, una segunda capa metlica proporciona un contacto elctrico en la parte

inferior del semiconductor. El propsito de esta capa de SiO2 es proporcionar un aislamiento entre el

metal y el semiconductor [39].

Figura 3-1 Esquema del capacitor MOS

MOS

Figura 3-2 Funcin de trabajo de un metal, funcin de trabajo de un

semiconductor y afinidad electrnica.

32

Tomando como referencia el perfil de bandas planas del capacitor MOS, existen 3 estados importantes

de polarizacin en el capacitos MOS, estos son la acumulacin, agotamiento e inversin, como son

mostrados en las figuras [39, 40].

Acumulacin: Suponiendo un semiconductor tipo-n y aplicando una polarizacin positiva

(VG>0), esta condicin disminuye en el metal con respecto a la en el semiconductor,

produciendo una pendiente positiva en los perfiles de bandas, las bandas de conduccin son dobladas

haciendo ms estrecho el nivel de fermi, causando una acumulacin de electrones dentro del

semiconductor, la cual es mayor cerca de la interface oxido-semiconductor que en el semiconductor

completo.

Agotamiento: aplicando una pequea polarizacin negativa (

33

Inversin: Al aplicar a la compuerta una polarizacin ms negativa, se deforman an ms

las bandas de energa, haciendo ms negativa la pendiente en el perfil de bandas, la concentracin de

huecos aumenta, en otras palabras esta polarizacin de compuerta empuja los bordes de la banda a un

punto ms bajo del nivel de fermi, y crea de este modo portadores libres. Los tres estados de

polarizacin se muestran en la figura 3-4.

Figura 3-4 Diagrama de bandas de energa y diagrama de bloques de carga

correspondientes, que describen el estado de un capacitor MOS.

34

Esquema estructural del pseudo MOSFET a base de una capa activa de CdS

En la figura 3-5 se ilustra una estructura para un TFT que puede ser clasificado como un pseudo

MOSFET. Este esquema nos permite hacer una prueba estructural para la caracterizacin de la capa

activa sin el desarrollo de una fabricacin rigurosa de diseo, en nuestro caso caracterizacin del CdS.

En este tipo de configuracin la capa activa es considerada como el cuerpo del transistor, la

cual es separada por un oxido (SiO2) del sustrato de Si, este oxido inmerso en la estructura es

denominado caja. El xido, el sustrato de silicio y un electrodo colocado en la parte posterior del

sustrato tienen el papel de una compuerta compuesta. La polarizacin de la compuerta mediante el

electrodo, ya sea negativa o positiva segn sea el caso, puede activar la acumulacin, el agotamiento

y la inversin provocando as la conduccin de portadores y permitindonos hacer la caracterizacin

requerida [41-42].

Figura 3-5 Ilustracin esquemtica de una estructura TFT.

35

3.5 Comportamiento del pseudo MOSFET

Considerando un condensador plano paralelo, donde sus platos sern un metal y un semiconductor

tipo-p o tipo-n. Cuando ningn potencial es aplicado a los platos, los portadores libres son

homogneamente distribuidos dentro del sustrato entero del semiconductor. A causa de su baja

densidad, la conductancia de la capa es muy pequea y la corriente entre los electrodos fuente y

drenaje es muy baja.

Para un canal-n de tipo incremental, un voltaje positivo compuerta fuente (>) disminuye la

resistencia del canal drenaje fuente (drain-source) y, un exceso de electrones es atrado a la superficie

del semiconductor tipo-n y estos sern concentrados en la capa delgada del semiconductor

(acumulacin). La densidad de portadores de carga en la capa delgada ser incrementada, permitiendo

un aumento de conductividad en el canal de conduccin. Opuestamente al aplicar una polarizacin

negativa en la compuerta, ocurre una reduccin (agotamiento) significativa de los portadores de carga

en el semiconductor, al volverse ms negativo este voltaje en la compuerta ocasiona que la zona de

agotamiento se extienda sobre el espesor entero de la capa del semiconductor [43].

En el caso de un semiconductor tipo-p incremental, cuando se polariza la compuerta negativamente,

una acumulacin de huecos es atrada a la superficie del semiconductor tipo-p y sern concentrados

dentro de un substrato delgado (canal). La densidad de portadores de carga en el canal ser

incrementada (acumulacin), permitiendo una mayor conductividad en el canal de conduccin. Por

otra parte, al aplicar una polarizacin positiva en la compuerta, ocurre una reduccin (agotamiento)

drstica de los portadores de carga en el semiconductor, esto bajo un voltaje positivo de compuerta

lo suficientemente alto, puede provocar que esta zona de agotamiento sea extendida sobre el espesor

entero de la capa del semiconductor.

36

Para un canal-n de tipo decremental, un voltaje compuerta-fuente negativo ()

incrementa la resistencia del canal, este ahorca el flujo de huecos a travs del canal.

As, el voltaje externo aplicado a la compuerta permite la acumulacin de portadores de carga en la

interface semiconductoraislante o el agotamiento (reduccin) de esta interface, ocasionando una

modulacin de la densidad de portadores de carga en el canal de conduccin. Esta modulacin de la

densidad de portadores en el canal de conduccin es leda por otros dos electrodos, la fuente y el

drenaje. Un transistor de efecto de campo FET es un dispositivo de tres electrodos unipolar, que

permite monitorear, a travs de una polarizacin de compuerta la conduccin de un canal en la

interface del semiconductor-aislante. En la figura 3-6 se muestra la estructura propuesta para el

transistor que se desarroll en este trabajo.

L1

1.5 cm

S D L2

L5

D S

L3

L4

CdS

SiO2

Si-p

Compuerta de oro

Figura 3-6 Esquema experimental de pseudo MOSFET con capa activa de CdS empleado

en este trabajo.

37

3.6 Caracterizacin de los dispositivos TFT pseudo MOSFET

En lo que respecta a la caracterizacin del material en este tipo de dispositivos, un modelo simple de

comportamiento de la corriente del canal del MOSFET es empleado, denominado aproximacin

gradual del canal. Existe un campo elctrico presente en la interface semiconductor/SiO2, este campo

que afecta al canal, es debido al voltaje aplicado en la terminal de la compuerta, el cual es obtenido

al resolver la ecuacin de Poisson en dos dimensiones. Para obtener la solucin analtica de la

corriente de con respecto a su razn de cambio, se asume que la componente vertical del campo

elctrico, producto de una polarizacin de compuerta, es mucho ms grande que la razn de cambio

de la componente horizontal debido al voltaje . Esta aproximacin nos reduce el problema de

obtener a una dimensin y contar con dos ecuaciones, una que nos relaciona la carga presente en

el canal debida a un y otra que describa el movimiento de esta carga por un voltaje [41,43].

Los MOSFET cuentan con tres zonas de operacin como se muestra en la figura 3-7, una regin de

corte, en el cual se encuentra apagado, una regin lineal y una regin de saturacin.

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0

10

20

30

40

50

60

VGS4

VGS3

VGS2

Region corte

Region de saturacion

I DS

VDS

Region lineal VGS1

Figura 3-7 Caractersticas de DC para FET.

38

3.7 Regin lineal de operacin

Para la regin donde la corriente de incrementa linealmente con respecto a la variacin del , es

denominada regin lineal u hmica (

39

Si integramos los incrementos de corriente de = 0 a L, en otras palabras, de = 0 a , tendremos

una expresin para la corriente del drenaje:

=

[( )

1

2

2] 3.6

En la regin lineal de operacin ( ) el comportamiento de la corriente del drenaje es

descrita por:

=

( ) 3.7

3.8 Regin de saturacin

En la regin de saturacin, la corriente se mantiene constante a incrementos del , la densidad de

portadores inducida por el campo de la compuerta en 3.7 desaparece en proporcin al incremento del

potencial. Cundo = , en este caso el canal de electrones es ahorcado, se hace ms

angosto, y la corriente se satura [43]. Para cierta condicin de > , la ecuacin 3.6 no

es vlida. La corriente en la regin de saturacin puede ser obtenida por sustitucin de =

en la ecuacin 3.6:

=

2( )

2 3.8

La movilidad de efecto de campo en la regin de saturacin es obtenida de la ecuacin 3.8.

Despejando 1

2 produce:

1

2 = 2

2 ( ) 3.9

Haciendo 1

2 y . Esto sugiere que = + con m y b constantes, es decir, que

debe haber un comportamiento lineal entre 1

2 y . Experimentalmente se obtiene:

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

I D1/2

(A

1/2

)

VG

VTH

m

En la regin de comportamiento lineal, las unidades de m ([m]) estarn relacionadas

dimensionalmente con las unidades de ([]) y las unidades del voltaje de compuerta ([]) de la

siguiente manera:

[] =[]

12

[]=

(

)

12

3.10

As que:

[]2 =

2=

3.11

Por comparacin de la ecuacin (Ecuacin 3.8) y la evaluacin de m a partir de datos medidos

experimentalmente se tiene:

2

2=

= 2 (2

2) 3.12

La capacitancia del SiO2 considera un espesor 2 = 100 y 2= 3.9 0 [35]

Figura 3-8 Determinacin del voltaje umbral.

41

2 = 22

=3.90

100=

(3.9)(8.8541012

)

100109=

34.531014(

)

1105 3.12-1

2 = 3.453108

2

En nuestros sistemas TFT el ancho del canal siempre fue el mismo, W=450nm as que evaluando

(2

2) = 128712.55269

2

()

= (1.28712552692

()) 2

Otras caractersticas importantes que identifican a estos dispositivos son, las razones o pendientes de

monotona en las curvas log() vs , vs e vs , ver figuras 3.9 a) y 3.9 b).

0 2 4 6 8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

gD

I D

VD

0 2 4 6 8-1

0

1

2

3

4

5

6

7b)

I D o

n-o

ff

ID

VG

a)

10-9

10-8

10-7

gm

1/S

Lo

g (

I D)

Estos valores bajo la consideracin de despreciar efectos difusivos definen como, figura 3-9 a), la

conductancia de canal o de salida () y la transconductancia mutua () mediante las expresiones:

Figura 3-9 a) Determinacin de la conductancia del canal, b) Determinacin de la razn de

encendido, transconductancia y voltaje S.

42

|=.

3.13

|=.

=1

3.14

Utilizando la ecuacin 3.7 se obtiene que:

=

( )

3.15

=

3.16

Donde comnmente el factor (

) es denominado parmetro de transconductancia o de

construccin (). El voltaje de compuerta , y la razn de encendido

son estimados mediente

la curva caracterstica de DC log vs , ver fig. 3.9 b) [17] [20]. es el voltaje de oscilacin

definido como la proporcin del voltaje requerido para el incremento corriente por un factor de 10,

est definida como:

=

(log ) 3.17

La razn de encendido de la proporciona una medida til del desempeo del dispositivo y es

definida como:

=

3.18

43

3.9 Esquema de fabricacin.

En la figura 5 se presenta la secuencia de fabricacin de transistores FET que se fabricaran en este

trabajo. Como primer paso una limpieza por RCA para la oblea de silicio es realizada, como segundo

paso se crece una capa de SiO2 de 100 nm por oxidacin trmica, como mtodo para la induccin de

carga en el semiconductor, este ser depositado sobre la capa aislante. En la tercera etapa, el

semiconductor es depositado mediante la tcnica de bao qumico, una manipulacin de parmetros

del sistema concentracin, tiempo y temperatura de depsito ser aplicada. En la cuarta etapa de

fabricacin se realizara la metalizacin de contactos. El drenaje y la fuente son elaborados mediante

un proceso de litografa, donde se crean patrones mediante el empleo de una resina, la cual es revelada

para la creacin de moldes, posteriormente un depsito del electrodo (oro, aluminio, etc.) es hecho

por la tcnica de evaporacin de haz de electrones. Adems la muestra es inmersa en acetona dentro

de un bao ultrasnico para su definicin final en la parte superior, proceso conocido como lift-off.

Por ltimo un electrodo denominado compuerta es depositado en la parte posterior de la muestra por

evaporacin de haz de electrones.

3.10 Metalizacin de contactos

Una vez depositada la pelcula de CdS se procede mediante litografa a la aplicacin de una capa de

fotoresina por el mtodo de centrifugado (spinning) a una velocidad de 3000 rpm, durante 60

segundos para posteriormente aplicarle un tratamiento trmico durante 10 minutos a 65C, enseguida

se procede a definir los patrones de los contactos, alineando una mscara y exponindola a radiacin

ultravioleta durante unos segundos. Despus se revela para remover la fotoresina expuesta, dejando

un patrn de acceso para la metalizacin de los electrodos (oro), que se realiza mediante evaporacin

con haz de electrones. Por ltimo, la muestra es inmersa en acetona dentro un bao ultrasnico por

dos minutos, para remover la fotoresina remanente que desprender este con la capa de oro que lo

44

cubre. La metalizacin de la compuerta se realiza depositando Au directamente a la parte posterior

del Si mediante evaporacin con haz de electrones, ver fig. 3-10.

Figura 3-10 Proceso de Fabricacin de los transistores FET de CdS

45

3.11 Efectos no ideales en Transistores de Efecto de campo de pelcula delgada (TFTs FET)

En esta seccin presentamos resultados encontrados en la fabricacin de transistores de pelcula

delgada (TFT) donde se denotaran los trminos o parmetros que caracterizan a cada dispositivo as

como comportamientos no ideales, en este caso la capa activa es una pelcula semiconductora tipo-n

de ZnO depositada por RF magnetron sputtering a 150 Watts por 15 minutos. La caracterizacin de

estos dispositivos arrojo comportamientos no deseados en el funcionamiento de los TFTs. Algunos

de estos efectos encontrados son: la modulacin de la longitud del canal, hot carriers y efectos de

canal largo, entro otros.

La estructura de fabricacin de este transistor consiste de ZnO/SiO2/n-Si/Au-Gate y el mtodo de

fabricacin es el mismo descrito anteriormente en la figura 3-10, una estructura de compuerta comn

para varios dispositivos con diferentes longitudes de canal 10, 20, 40 y 80 m con un ancho de canal

constante de 450 m. Se fabricaron dos grupos de transistores con las dimensiones antes mencionadas

donde la diferencia de uno y otro conjunto fue la variacin de la temperatura de depsito. A uno de

estos se creci la capa activa por sputtering mientras el sustrato mantena una temperatura constante

de 150C y al segundo no se le aplico temperatura.

La caracterizacin mediante las mediciones elctricas fueron hechas variando los voltajes de

compuerta de 0 a 40 Volts con un paso entre estas de 10 V y se vari el rango de corriente Voltaje

del drenaje y el de la fuente en el mismo rango. Bajo estas condiciones cada grupo de transistores

entrego un comportamiento tpico en los transistores en las curvas obtenidas de contra . Uno

de los factores clave que limita el desarrollo y la fiabilidad de los dispositivos son problemas trmicos,

por lo tanto, es muy importante llevar a cabo una caracterizacin sistemtica de los efectos trmicos

fundamentales involucrados en cada dispositivo individual, as como tambin la caracterizacin de

los efectos no ideales derivados de la estructura del dispositivo. En el transistor FET, una distribucin

46

no uniforme de potencial elctrico es naturalmente creado, este campo junto con el flujo de corriente

a lo largo del canal genera una distribucin no uniforme de temperatura (hot spot). Por ejemplo, en

los SOI MOSFET (Silicio xido aislante metal oxido semiconductor transistor de efecto campo), el

grueso de xido enterrado debajo de la pelcula (Silicio) Si, en niveles de corriente suficientemente

altos, da lugar al efecto de auto-calentamiento (SHE), que a veces se traduce en una salida negativa

conductancia en la regin de saturacin.

Figura 3-11 Esquema de seccin transversal para una configuracin de un TFT de ZnO con

compuerta comn.

.

Para el anlisis de los parmetros elctricos, uno de los modelos ms comunes que correlacionan

varios parmetros de TFT en regin de saturacin se describi anteriormente con la ecuacin 3.8.

Uno de estos parmetros que se relacionan con esta ecuacin es la movilidad de efecto de campo

(ecuacin 3.12) que es obtenida con la ayuda de la capacitancia de esta configuracin, 2 Las

ecuaciones descritas describen un comportamiento ideal TFT. Sin embargo, en la prctica una

respuesta no ideal es comn, la corriente presenta efectos no lineales de segundo orden tales como

la degradacin de la movilidad, la modulacin de la longitud del canal (CLM) efectos de canal corto

y la ionizacin de impacto, entre otros. Estos efectos pueden ser representados como gradientes de

corriente de la . Con el fin de obtener una expresin que incluye los efectos no lineales de la

47

corriente de drenaje-fuente, la derivacin debe ser considerada en dos dimensiones. Por lo tanto, la

corriente debe ser recalculada considerando una correccin a la ecuacin 3.8:

= 2

2( )

2(1 + ) (3.19)

Donde (1+VDS) es el trmino de correccin. El factor 1 / es la interseccin de las grficas de las

familias de corrientes extrapolado (ver figura 3-12) [44]. Debido al CLM la corriente de drenaje vara

con la tensin de drenaje-fuente ms all del punto de saturacin, la longitud del canal formado en la

capa activa sigue decreciendo. Estos gradientes de corriente estn involucrados con las definiciones

de conductancia () y transconductancia (), una primera aproximacin utilizando:

=

|

=.=

1

= 2

( )(1 + ) (3.20)

=

|

=.=

2

2( )

2 (3.21)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

7

8

I D

VGS

-1/0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0

1

2

3

4

5

6

7

8

VDS

En la figura 3-13 se muestran un primer grupo de resultados correspondientes al conjunto de

transistores donde la capa activa fue crecida a 150C por 15 minutos, mostrando las grficas de

logaritmo de la corriente drenaje-fuente (Log(IDS)) contra el voltaje compuerta-fuente () y Raiz

Figura 3-12 Caracterstica de salida de un transistor MOS con efectos de modulacin de

la longitud del canal.

48

cuadrada de la corriente drenaje-fuente (()1/2) contra Voltaje de compuerta-fuente (). Las lneas

punteadas corresponden a los ajustes lineales de los datos estos determinan las tensiones umbral

ESTUDIO DE TRANSISTORES FET DE CdS POR … · por baño químico, se muestran las curvas de...

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