Desenvolvimento de dispositivos de efeito de campo sensível a íons (EIS e ISFET) com diferentes eletrodos integrados (Al, Al2O3/Al, Grafeno/TiN, TiN e Au/Ti) de referência

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: César, Rodrigo Reigota, 1989-
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1639144
Resumo: Orientador: José Alexandre Diniz
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spelling Desenvolvimento de dispositivos de efeito de campo sensível a íons (EIS e ISFET) com diferentes eletrodos integrados (Al, Al2O3/Al, Grafeno/TiN, TiN e Au/Ti) de referênciaDevelopment of devices ions sensitive field effects (EIS and ISFET) with different integrated electrodes (Al, Al2O3/Al, Graphene/TiN, TiN and Au/Ti) of referenceÍonsEletrodosCapacitadoresIonsElectrodeCapacitorOrientador: José Alexandre DinizTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Essa tese trata do desenvolvimento de dispositivos de efeito de campo sensível a íons ¿ ISFET, com diferentes eletrodos integrados (Al (alumínio), Al2O3 (óxido de alumínio)/Al, Grafeno/TiN, TiN (nitreto de titânio) e Au (ouro)/Ti) de referência. Nesse trabalho, os ISFETs serão fabricados tendo o óxido de titânio (TiO2) como membrana sensitiva, que será utilizada para detectar a variação do pH de soluções ácidas, neutras e básicas. Este óxido possui uma grande capacidade de formar ligações de hidrogênio, aumentando a sensibilidade do dispositivo. O desenvolvimento de ISFETs está baseado na fabricação e na caracterização: (i) de filmes de TiO2 sensível a íons, determinando os melhores parâmetros de espessura, rugosidade, estequiometria e suas propriedades elétricas; (ii) de capacitores Eletrólito-Isolante-Semicondutor¿EIS com eletrodos integrados de Al, Al2O3/Al, Grafeno/TiN, TiN e Au/Ti de referência; (ii) de arranjos de 65 ISFETs, nesses casos com e sem eletrodo integrado de referência de Au/Ti. Esse trabalho apresentou, como melhores resultados: (i) Obtenção de TiO2 depositado por sputtering DC com constante dielétrica em torno de 60; (ii) Capacitores EIS com membrana sensitiva de TiO2 e diferentes eletrodos integrados de referência (Al, Al2O3/Al, Grafeno/TiN, TiN e Au/Ti), obtendo-se o melhor resultado para os eletrodos de TiN; (iii) Capacitores EIS, com membrana sensitiva de TiO2 e eletrodo integrado de referência de Au/Ti, que apresentaram corrente de fuga pelo dielétrico devido aos efeitos de tunelamento Fowler-Nordheim (F-N) e emissão Schottky; (iv) Transistores MOSFETs com dielétrico de porta de TiO2 com elevado valor de trancondutância de 32,4 mS/mm; (v) Transistores ISFETs com membrana sensitiva de TiO2, sem eletrodo integrado, mas com o eletrodo externo de referência de Au, com elevada sensibilidade de 1,3 mA/pH; (vi) Transistores ISFETs com membrana sensitiva de TiO2, com eletrodo integrado de referência de Au/Ti, com sensibilidades diferentes para soluções ácidas/neutra e básicas de 755 µA/pH e 92 µA/pH, respectivamente, devido à corrente de fuga pelo dielétrico de porta (TiO2) causada pelos efeitos de tunelamento F-N e emissão Schottky. Em conclusão, os melhores resultados obtidos foram: (i) capacitor EIS com eletrodo integrado de referência de TiN, pois suportaram as soluções ácidas e básicas, e não apresentaram corrente de fuga pelo dielétrico e tiveram sensibilidade de 13 mV/pH; (ii) o arranjo de 65 ISFETs sem eletrodo integrado, mas com o eletrodo externo de referência de Au, pois apresentou elevada sensibilidade de 1,3 mA/pH. Como principal trabalho futuro, deve-se estabelecer a repetibilidade de fabricação dos arranjos de ISFETs com eletrodo integrado de referência de TiN acoplado monoliticamente a um circuito condicionadorAbstract: This thesis deals with the development of ion-sensitive field effect devices - ISFET, with different integrated reference of Al (aluminium), Al2O3 (aluminium oxide)/Al, Graphene/TiN (titanium nitride), TiN and Au (gold)/Ti) electrodes. In this work, ISFETs will be developed using titanium oxide (TiO2) as a sensitive membrane, which will be used to detect the pH variation of acidic, neutral and basic solutions. This oxide has a great capacity to form hydrogen bonds, increasing the sensitivity of the device. The development of ISFETs is based on the manufacture and characterization of: (i) TiO2 films sensitive to ions, determining the best parameters of thickness, roughness, stoichiometry and their electrical properties; (ii) Electrolyte-Insulating-Semiconductor ¿ EIS capacitors with integrated reference of Al, Al2O3/Al, Graphene/TiN, TiN and Au/Ti electrodes; (ii) of 65 ISFET arrays, in these cases with and without an integrated Au/Ti electrode. This work presented the following innovations: (i) Obtaining TiO2 deposited by DC sputtering with a dielectric constant around 60; (ii) EIS capacitors with TiO2 sensitive membrane and different integrated reference (Al, Al2O3/Al, Graphene/TiN, TiN and Au/Ti) electrodes, obtaining the best result for the TiN electrodes; (iii) EIS capacitors, with TiO2 sensitive membrane and integrated Au/Ti reference electrode, which presented leakage current through the dielectric due to the effects of Fowler-Nordheim (F-N) tunneling and Schottky emission; (iv) MOSFET transistors with TiO2 gate dielectric with a high transconductance value of 32.4 mS/mm; (v) ISFET transistors with TiO2 sensitive membrane, without integrated electrode, but with external Au reference electrode, with high sensitivity of 1.3 mA/pH; (vi) ISFETs transistors with TiO2 sensitive membrane, with integrated Au/Ti reference electrode, with different sensitivities for acidic/neutral and basic solutions of 755 µA/pH and 92 µA/pH, respectively, due to the leakage current through the port dielectric (TiO2) caused by the effects of F-N tunneling and Schottky emission. In conclusion, the best results obtained were: (i) EIS capacitor with integrated TiN reference electrode, as they supported acid and basic solutions, and did not present leakage current through the dielectric and had a sensitivity of 13 mV/pH; (ii) the arrangement of 65 ISFETs without an integrated electrode, but with the external Au reference electrode, as it had a high sensitivity of 1.3 mA/pH. As the main future work, the manufacturing repeatability of ISFET arrangements with integrated TiN reference electrode coupled monolithically to a conditioning circuit should be establishedDoutoradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaDoutor em Engenharia ElétricaCAPES1423271[s.n.]Diniz, José Alexandre, 1964-Torres, Katia Franklin AlbertinTeixeira, Ricardo CotrinZanin, Hudson GiovaniManêra, Leandro TiagoUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASCésar, Rodrigo Reigota, 1989-20202020-05-08T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online ( 125 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1639144CÉSAR, Rodrigo Reigota. Desenvolvimento de dispositivos de efeito de campo sensível a íons (EIS e ISFET) com diferentes eletrodos integrados (Al, Al2O3/Al, Grafeno/TiN, TiN e Au/Ti) de referência. 2020. 1 recurso online ( 125 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1639144. 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