Dynamic Range Extension in Chemically Sensitive MOS

Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006
IBERSENSOR 2006
Extensión del rango dinámico en capacitores MOS químicamente
sensibles
R. M. Lombardi, R. Aragón
Laboratorio de Películas Delgadas. Facultad de Ingeniería. Paseo Colón 850. C.P. 1063. Buenos Aires.Argentina. y
CINSO- CONICET –CITEFA. Lasalle 4397. Villa Martelli, Buenos Aires, Argentina
e-mail: [email protected]
The well established chemical sensitivity of Pd and Pt gate MOS capacitors to H2 is limited, by saturation of
active adsorption sites, to 200 ppm at the usual operating temperatures of 150°C. Using pulsed photocurrent
measurements, molybdenum gates are shown to be linearly sensitive up to 1000 ppm, with no evidence of
saturation, consistently with prior C-V results. The fourfold increase in adsorption enthalpy for diatomic
molecules (80 kcal / mol), compared to group VIII metals (20 kcal/ mol), reduces the density of active sites,
increasing the H2 partial pressure required for an equivalent electrical response. Consequently, it is possible to
extend dynamic range at the expense of sensitivity, albeit with proportionally longer response and relaxation
times, because the higher adsorption enthalpy also contributes to the activation energies of associated transport
phenomena, yielding slower kinetics, which ultimately render significant reduction of operating temperature
impractical.
Keywords: CMOS, chemical sensitivity, dynamic range.
θ
Introducción
(1) (2) (3)
Se utilizó la técnica de luz pulsada
en
capacitores MOS con compuerta de Mo para
detección de H2, que ofrece la ventaja de resolución
espacial por oposición a los métodos convencionales
capacitivos y de conductancia.
Engstrom (1) indujo variaciones del potencial
superficial en el semiconductor, dependiente de la
tensión de polarización, que modifica la corriente de
desplazamiento que pasa por la resistencia de carga
RL, en un circuito asociado al MOS, mediante el
barrido de un láser pulsado sobre la compuerta
metálica delgada traslúcida. La caída de tensión
sobre la resistencia de carga, integrada en el tiempo,
proporciona la salida “u” de fotocorriente, en
unidades arbitrarias, cuya expresión es:
u = RL Cox ∆ψ S
(1)
con RL resistencia de carga, Cox capacidad el
aislador, y ∆ψ S variación del potencial superficial.
El desplazamiento de la tensión, (∆V), de las curvas
de fotocorriente u en función de la tensión de
polarización Vpolarización, con el arribo del estímulo a
la interfaz Mo-SiO2, constituye la respuesa . ∆V está
vinculado al número de sitios (Θ) ocupados por el
gas disociado en la red cristalina en un proceso de
quimisorción, por (4) :
∆V = ∆Vmax θ
(2)
. ∆Vmax es el máximo desplazamiento medido, con el
detector saturado ( θ = 1.). La fracción de sitios θ
depende de la presión parcial del gas, de su energía
de adsorción en la red cristalina y de la temperatura
de operación, según (5) :
ISBN: 9974-0-0337-7
=
α
−
∆H
KB T
P (3)
1−θ
T
donde α es un término específico del analito, ∆H
es la entalpía de adsorción, T la temperatura y P
la presión parcial del estímulo. Para evitar la
saturación del dispositivo se lo opera a
temperaturas del orden de 150 °C, incompatibles
con las delgadas compuertas traslúcidas
empleadas por Engstrom a temperatura
ambiente. Se empleó, en cambio, un capacitor
con compuerta metálica y ventana central, que
expone el dieléctrico, en configuración similar a
la de Filippini(2), quien invoca el modelo de
corriente lateral de Nicollian y Goetzberger (6),
para justificar el realce de señal, en el borde de
la ventana (fig. 1).
4
e
Experimental
Se fabricaron capacitores MOS con compuertas de
Mo (espesor 100 nm) y ventana central de 1mm de
diámetro, depositadas por la técnica de “magnetron
sputtering”, a partir de obleas de Si, tipo “p” (1,0,0),
de resistividad 4 - 40 Ω/cm, oxidadas térmicamente a
130 nm. El capacitor fue montado sobre un sustrato
de alúmina con pistas de Cr /Au y Ni/Cr para
contactos eléctricos y térmicos respectivamente. El
diodo láser fue de λ = 638 nm , potencia= 3.5mW,
pulsado a 1KHz , y la fotocorriente, que circula por
una resistencia de carga de 10KΩ en el circuito
externo, fue monitoreada, tras conversión I/V,
mediante un amplificador lock-in Signal Recovery
DSP 7265, a tensión de polarización controlada.
Estabilizado el sistema en gas inerte (N2) a 140°C,
durante 6-8 horas, se obtuvieron curvas de
1/2
fotocorriente en función de la tensión de
polarización, y polarizado a una tensión intermedia
elegida, fue expuesto a H2, en distintas
concentraciones, en ciclos de carga y descarga..
IBERSENSOR 2006
-0,08
-0,06
DeltaV
Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006
Mo
-0,04
Resultados y conclusiones
-0,02
0,00
0,02
0,04
5 0 0 ppm
H2
0,06
7 5 0 ppm
H2
1 0 0 0 ppm
H2
segundos
1800 3600 5400 7200 9000 10800 12600
Fig.2 Respuesta de CMOS con compuerta de Mo,
en función del tiempo y concentración del analito
Conscuentemente, aunque el dispositivo no satura
sus sitios de adsorción disponibles aún a menor
temperatura (141°C) que la de práctica habitual
(150°C), no es práctico disminuír la temperatura
operativa sustancialmente porque los fenómenos de
transporte definen el límite de aplicación.
Las respuestas obtenidas a 500, 750
y 1000 ppm de H2 en N2, en ciclos de carga y
descarga de 30 minutos (fig.2), a 141°C, revelan
linealidad entre respuesta y estímulo para las tres
concentraciones, no se observa saturación del
dispositivo hasta 1000 ppm y los desplazamientos
en tensión son negativos, con el dispositivo
polarizado a 3.1V, consistentemente con los
resultados de experimentos C-V. Los tiempos de
respuesta
y relajación son mayores que los
requeridos para H2 con compuertas de Pd.
Dada la relación entre la concentración de sitios de
adsorción y la entalpía, Ec.(3), y siendo la entalpía
de adsorción promedio de gases diatómicos cuatro
veces mayor que la de los metales del grupo VIII
(Pd, Ni, Pt), el número de sitios de adsorción es
proporcionalmente menor, requiriendo mayores
presiones parciales de H2 , para una señal
equivalente, con lo que se extiende el rango
dinámico, que con compuertas de Pd, se limita a 200
ppm. Las energías de activación son por consiguiente
mayores, dado que contienen la entalpía de
adsorción,
reduciendo las constantes cinéticas
específicas y aumentando los tiempos de respuesta y
relajación.
ISBN: 9974-0-0337-7
Bibliografía
1.- Engstron o., Carlsson A., J.Appl. Phys., 54 (9), (1983),
pp 5245-5251
2.- Filippini D., Lundstrom I., J. of Appl. Phys., 91 (6),
(2002), pp 3896-3906
3.- Filippini D., Lundstrom I., Sensors and Actuators B,
95 (2003), pp 116-122
4.- Eriksson M. Linkoping Studies in Sciencie and
Technology Dissertation N°504.
5 - Borg R., Diemes G., “The Physical Chemistry of
Solids”, Academic Press Inc., Boston, 1982
6 - Nicollian E., Goetzberger A. IEEE Transactions on
Electron Devices, ED-12, (1965), 108
2/2