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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 2-8 Patrones de difraccin de DRX de pelculas de CdS de formulacin M2.. 21
Figura 2-9 Patrones de difraccin de DRX de pelculas de CdS de formulacin M3.. 21
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
Figura 2-13 Morfologa superficial por Microscopia electrnica de barrido (SEM)
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
Tabla 4-3 Parmetros elctricos de los dispositivos TFT con bicapas CdS como canal activo
con longitud de canal de 40 m...
96
Tabla 4-4 Parmetros elctricos de los dispositivos TFT con bicapas CdS como canal activo
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)
Figura 2-8 Patrones de difraccin de DRX de pelculas
de CdS de formulacin M2.
Figura 2-9 Patrones de difraccin de DRX de pelculas
de CdS de formulacin M3.
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
(%
)
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 M3
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 Y4
Re
fle
cta
nc
ia y
tra
ns
mit
an
cia
(%
)
Longitud de Onda (nm)
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
Figura 2-12 Morfologa superficial por Microscopia electrnica de barrido (SEM)
para las formulaciones M1, M2 y M3 en 60 minutos.
Figura 2-13 Morfologa superficial por Microscopia electrnica de barrido (SEM)
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