Hovedfunn

A estrutura principal é a de um transistor de efeito de campo (FET) bottom-gate/bottom- contact (ver Figura 2.1.b) com porta comum. Os dispositivos foram fabricados inicialmente sobre substrato de silício monocristalino altamente dopado como contato de porta, coberto por um óxido de porta inorgânico e com eletrodos metálicos de fonte e dreno obtidos por fotolitografia convencional.

Os substratos utilizados foram lâminas de silício tipo p, espessas 350 m e altamente dopadas (0,020–0,025 cm), cortadas em amostras de 1×1 pol2_{. O silício foi tratado quimicamente}

em quatro etapas: (i) limpeza Piranha em (3:1) H2SO4 : H2O2 (105 ºC) por 15 min, seguida por uma

lavagem em água corrente por 10 min e 5 min de cascatinha; (ii) limpeza RCA 1 em (5:1) H2O :

NH4OH : H2O2 : H2O U.P. (75 ºC) por 15 min, seguida por uma lavagem em água corrente por 10

min e 5 min de cascatinha; (iii) ataque em solução diluída de HF (ou decapante lento de vidro, DLV) por 15 s em becker de teflon, seguida de uma lavagem em água corrente por 15 min; (iv) limpeza RCA 2 em (6:1:1) H2O : H2O2 : HCl (30 ºC) por 15 min, seguida por 10 min de cascatinha

e posterior secagem com N2 seco. Os reagentes utilizados na limpeza inicial de substtratos de Si

foram da J.T.Baker cujo grau de pureza era CMOS (do inglês, Complementary Metal Oxide Semiconductor).

O dielétrico utilizado nesta etapa foi SiO2 por oxidação térmica seca. É necessária a pré-

limpeza do forno na véspera do crescimento do óxido, cujo processo é realizado a 1170 ºC sob fluxo de 775 sccm de O2 e 0,047 l/min de O2:C33 por 120 min, com purga posterior a 1500 sccm

de O2 por 60 min. No dia seguinte, antes da oxidação, é feita mais uma purga a 1150 ºC de 1500

sccm de O2 por 60 min. As amostras são então carregadas a 800 ºC em 5 min e aquecidas até 1100

ºC sob 1500 sccm de O2. A oxidação é dividida em 3 etapas: (i) oxidação a 774,6 sccm de O2 e

densificação a 1500 sccm N2. A espessura deste dielétrico (xi) variou de 160 a 475 nm de SiO2 para

um intervalo de tempo de 25 a 350 min sob fluxo de O2:C33.

Os eletrodos utilizados são de ouro (100 nm) por deposição física em fase vapor com vaporização por feixe de elétrons (electron-beam PVD) e definidos por lift-off. Em geral, o comprimento de canal (LM) foi de 5 a 30 m, enquanto que a largura (WM) de 1,1 a 20,9 mm (ver Tabela 3.4). Na Figura 3.2, podem ser observadas as máscaras de campo escuro de eletrodos de fonte e dreno paralelos e interdigitados para fotolitografia por lift-off. Deve-se depositar um filme fino de Ti (10 nm) para aumentar a aderência do ouro sobre o óxido de porta.

Tabela 3.4 – Dimensões do canal segundo às máscaras fotolitográficas utilizadas.

Máscara

Dimensões do canal Comprimento (LM)

(µm) Largura (W(µm) M) WM/LM Área do canal (103 _µm2₎ Área por eletrodo ₍₁₀3 _µm2₎ Eletrodos Paralelos 5 1100 220 5,5 30 10 110 11,0 30 20 55 22,0 30 Eletrodos interdigitados 10 20500 2050 205 417 20 20700 1035 414 444 30 20900 697 627 471 Fonte: Cavallari (2014)

Figura 3.2 – Máscaras utilizadas para definição de eletrodos de fonte e dreno: (a) eletrodos paralelos e (b)

interdigitados. No item (a), encontra-se o conjunto fotorepetido de três transistores.

Fonte: Cavallari (2014)

A montagem para passivação de armadilhas a portadores de carga na superfície do SiO2 é

apresentada na Figura 3.3.a-b. Inicialmente, os substratos são tratados na sala limpa do LME- EPUSP em plasma de oxigênio por 10 min a 100 W, 100 mTorr e 50 sccm. Neste momento, a superfície se torna hidrofílica com ângulo de contato inferior a 5 °, tal como apresentado na Figura 3.3.c. Em seguida, com intervalo menor que 5 min, as amostras são posicionadas dentro de uma placa de Petri grande que se encontra sobre um hot plate a 110 ºC na capela com exaustão (ver Figura 3.3.a). Tal placa de Petri contém outra de diâmetro menor, além de sílica e as amostras, permanecendo entreaberta durante todo o processo, cuja duração total é de 40 min (ver Figura 3.3.b). Três mililitros de hexametildissilazana (HMDS) devem ser pipetados na placa de Petri pequena a cada 10 min. O ângulo de contato obtido nas quatro microgotas apresentadas em destaque na Figura 3.3.d é de (78,5 ± 2,2) °, ou seja, a superfície do óxido se torna hidrofóbica.

Figura 3.3 – Passivação da superfície de SiO2 em vapor de HMDS: (a) montagem em placa de petri sobre hot plate a

110 °C; (b) destaque para o conteúdo da placa de petri maior, i.e. sílica, placa menor contendo HMDS líquido e amostras de Si; (c) 50 µl de H2O U.P. sobre SiO2 tratado em plasma de O2 e (d) diversas microgotas de H2O U.P. sobre SiO2

tratado em vapor de HMDS. Fonte: Cavallari (2014) (a) (b) (c) (d)

Sobre a estrutura benchmark de TFT proposta, o semicondutor foi depositado nas condições descritas na Tabela 3.5. Variou-se os seguintes parâmetros visando à otimização do desempenho:

 espessura do dielétrico (xi = 160, 190, 200 e 475 nm) e do semicondutor (12 ≤ d ≤ 3200 nm);

 solução, através de solventes com ponto de ebulição diferentes (61, 110,6 e 132 °C para clorofórmio (CF), tolueno (TOL) e clorobenzeno (CB), respectivamente), concentração (c = 3, 4, 4,3, 8 e 9 mg/ml) e porosidade do filtro Millipore (p = 0,22 e 0,45 m);  técnica de deposição (casting e spin coating), através da frequência (f = 600, 1000 e

3000 rpm) e tempo de rotação (Δt = 20 e 30 s);

 secagem do solvente (T = 27, 70 – 120 e 140 ºC), podendo incluir pré-tratamento em atmosfera saturada com solvente (90 °C por 40 min.)

 configuração dos eletrodos de S/D (paralelos (P) ou interdigitados (I)).

A evaporadora para deposição de filmes finos metáticos se encontra na Glove Box do LME- EPUSP (Projeto FAPESP 03/07454-5). Aparatos de deposição de metais por e-beam PVD, spinner para deposição de filmes finos poliméricos, fotolitografia para definição dos eletrodos e fornos de oxidação para obtenção da camada isolante inorgânica, encontram-se na Sala Limpa do mesmo laboratório. A espessura foi obtida de acordo com os procedimento descritos na Seção 3.1.1. No caso de dielétricos inorgânicos, cria-se um degrau por mascaramento com Apiezon® _{e corrosão em}

decapante lento de vidro (DLV) por 15 s em becker de teflon. Após 15 min em água corrente deionizada, a amostra deve ser limpa em banhos sequenciais de tricloroetileno, acetona e álcool isopropílico. O ensaio é destrutivo e, por este motivo, deve ser realizado em amostra testemunha de processo.

Tabela 3.5 – Parâmetros relacionados à formação da camada semicondutora que foram variados visando à otimização

do TFT bottom gate/bottom contact.

Estudo N° d (nm) xi (nm) Solução de P3HT Deposição Secagem S/D Solv. c (g/l) p (µm) Técnica f (rpm) Δt (s) (i) 1 28 ± 7 475 ± 5 CF 3 0,22 spin coating 600 20 70 – 120 ºC/90 min* P 2 43 ± 6 70 – 120 ºC/90 min 3 12 ± 2 3000 30 4 I (ii) 5 13 ± 1 475 ± 5 CBa 3 0,22 _spin coating 600 30 70 – 120 ºC/90 min* I 6 24 ± 3 CF P 7 3200 ± 200 CBa _casting 0 – 27 ºC/24 h 8 2200 ± 150 CF I (iii) 9 79 ± 2 200 ± 5 CF 9 0,22 spin coating 600 30 70 – 120 ºC/90 min P 10 70 ± 4 70 – 120 ºC/90 min* (iv) 11 101 ± 3 160 ± 5 CF 9 0,22 spin coating 600 30 70 – 120 ºC/90 min P 12 30 ± 2 3 70 – 120 ºC/90 min 13 57 ± 2 CB 9 70 – 120 ºC/90 min* (v) 14 50 ± 2 190 ± 5 CF 4,3 0,22 spin coating 1000 30β 140 ºC/15 min 70 ºC/60 min♯ P 15 24 ± 4 TOLα _0,45 (vi) 16 48 ± 6 190 ± 5 CF 4 0,22 spin coating 1000 30β 140 ºC/15 min 70 ºC/60 min♯ P 17 85 ± 7 8

* Tratamento em placa de petri fechada com atmosfera saturada do solvente utilizado no preparo da solução a 90 °C por 40 min.

♯ 24 h em alto vácuo de ca. 1×10-5 _{mbar pré-caracterização elétrica.}

α Aquecimento da solução de semicondutor sobre hot plate a 60 °C por 3 h pré-deposição. β Rampa lenta de 5 s tanto de aceleração, quanto de desaceleração.

Fonte: Cavallari (2014)