Сенсор на польовому транзисторі із використанням пористого кремнію. Поясніть принцип дії. Який принцип дії газового сенсора з пористим кремнієм на основі КМОН процесу?

Рис. 5.10. Схема APSFET-структури з несуцільною (а) і суцільною поруватою плівкою (б). Позначенння: 1 – p-Si (1015 см–3); 2 – n+ полі-Si; 3 – імплантований n-Si (4х1020 см–3); 4 – поруватий Si; 5 – Si3N4

Польовий транзистор. GasFET-структура чи газовий польовий транзистор на основі поруватого Si представлено на рис. 5.10. Він отримав назву APSFET (adsorption porous silicon-based FET) або адсорбціонний польовий транзистор на основі поруватого кремнію. Технологія його формування базується на використанні стандартної біполярної та КМОН кремнієвої технології. Чутливість таких приладів до газів виникає за рахунок утворення індукованого (під дією адсорбції молекул) провідного каналу в кристалічному кремнії, який знаходиться під сенсорним елементом – поруватою плівкою. Тобто принцип його роботи повністю аналогічний описаному звичайному сенсору на КМОН транзисторі, тільки в поруватому Si зміна заряду відбувається за іншим механізмами. Залежно від параметрів процесу анодизації можна створити два типи структури – з неперервною та "розірваною", несуцільною поруватою плівкою на поверхні (рис. 5.10).

Адсорбовані в поруватому шарі молекули за рахунок інжекції чи екстракції електронів з об'єму або наведеної поляризації змінюють ширину області збіднення в підзатворній області монокремнію. Легко показати, що для виникнення індукованого каналу в МОН - структурі, утвореній на підкладці р-типу кремнію з концентрацією вільних носіїв 10¹⁵ см^–3, треба ввести в підзатворний оксид або поверхневі дефектні стани 10¹¹ заряджених дефектів/см². Така велика кількість адсорбційних вузлів легко досягається саме при формуванні поруватого кремнію. Причому, залежно від знака заряду, що інжектується в поруватий шар, можна спостерігати як зростання струму "витік – стік" у польовому транзисторі, так і зменшення струму зі зростанням концентрації адсорбованих молекул. Так, адсорбція ізопропанолу веде до зростання струму "витік – стік", а оцтової кислоти – навпаки, до його зменшення (рис. 5.11).

Рис. 5.11. ВАХ APSFET структури для випадку адсорбції у атмосфері ізопропанолу (а) та оцтової кислоти (б) різної концентрації. За відлік взято характеристику в атмосфері азоту

МДН-структура на основі контакту метал – поруватий кремній – кремній. Структури типу метал – поруватий кремній – кремній (чи МДН-структура з тонким поруватим шаром) можуть бути створені за технологією сенсорів вертикального типу, проте товщина поруватого шару при цьому значно менша – 10–1000 нм. Для цих сенсорів вимірюються частотні ВФХ або ВАХ. Чутливість сенсорів визначається за відносною зміною струму, ємності чи опору структури під час адсорбції. Оскільки найпростіша еквівалентна схема такої структури складається з паралельно з'єднаних резистора, ємності потенціального бар'єра та послідовного опору, то в загальному випадку вимірювані струм та напруга є комплексними: (5.14) Закон Ома для комплексних значень струму та напруги: (5.15).

Якщо знехтувати послідовним опором, то для кожної частоти й потенціалу величина активного та реактивного опорів визначається як:

(5.16) Опір та ємність для кожної частоти можна визначити з експериментальних величин Z_p та Z_q: (5.17)

Рис. 5.12. Залежність опору (а) та ємності (б) сенсора Ti – поруватий кремній (300 нм) – p-Si від частоти в атмосфері синтетичного повітря з відносною вологістю 0 % та 50 %, V = 0,1 В

Рис. 5.12 показує частотні залежності опору та ємності R, C, які розраховувалися з еквівалентної схеми вертикальних структур Ті – поруватий кремній (100 нм) – p-Si при вимірюванні, відповідно, у сухому та вологому повітрі. Імпеданс розраховувався при вимірюванні ВАХ у діапазоні частот від 170 Гц до 800 КГц. При малих (ω < 2х10³ Гц) і великих

(ω > 10⁵ Гц) частотах спостерігається насичення залежності опору від частоти; ємність також насичується при високих частотах. Адсорбція вологи суттєво збільшує C і провідність тільки в області малих ω. Ефект пояснюється впливом ПЕС на адсорбційну чутливість сенсора: при частотах більших 104 Гц, спостерігається кореляція між різким зменшенням впливу адсорбції на ємність структури та зникненням внеску ПЕС у зворотні ВФХ.

Інтегрована структура до КМОН процесу. Інтегрована структура поєднує в собі хімічний сенсор та електронний підсилювач. Вона створюється на одному кристалі (чипі) і сумісна з КМОН технологічним процесом (рис. 5.13). Сенсор складається з р-типу кремнієвого резистора на підкладці n-Si. На лицевій частині р-області формується шар поруватого кремнію, який відіграє роль адсорбенту й дозволяє модулювати величину опору р-шару при експозиції в парах органічних сполук.

Рис. 5.13. Процес формування інтегрального сенсора, сумісного з КМОН процесом

Етапи формування інтегрованої сенсорної структури з КМОН процесом та чутливим поруватим шаром представлено на рис. 5.13. Базові етапи виготовлення такої структури такі: 1) оксидація поверхні n-Si; 2) імплантація бору крізь оксид і дифузія для формування глибокого (2,3 мкм) р-шару (рис. 5.13, а); 3) травлення SiO2 у HF; 4) напилення плівки Al та відпал;

5) формування двох алюмінієвих електричних контактів гребінчастого типу (рис. 5.13, б);

6) нанесення плівки фоторезистора на алюміній; 7) фотолітографічне утворення вікна у фоторезисті (рис. 5.13, в); 8) напилення Al на тильний бік кремнієвої пластини;

Рис. 5.14. Схема електричного ввімкнення інтегрованої структури

9) електрохімічне травлення р-Si у вікні до створення поруватого шару товщиною до 2 мкм (рис. 5.13, г); 10) промивання в ацетоні, етанолі та сушіння в азоті (рис. 5.13, д).

У структурі вимірюється струм між двома алюмінієвими омічними контактами залежно від прикладеної напруги V₁. Для зменшення струмів витоку в об'єм n-Si і для забезпечення умов протікання струмів тільки через

р-область кристалічного резистора (вважається, що область поруватого кремнію має значно більший електричний опір) до тильного омічного контакту прикладається позитивний потенціал V2 > V1. При невеликих потенціалах –1,0 B < V1 < 1,0 B струм між алюмінієвими електродами майже лінійний. Величина опору резистора змінюється від 150 кОм при експозиції в парах азоту до 50 кОм при експозиції в парах 15000 ppm ізопропонолу.