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Il silicio poroso: un materiale nanostrutturato per la fabbricazione di nuovi dispositivi a stato solido G. Barillaro, P. Bruschi, A. Diligenti, F. Pieri.

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Presentazione sul tema: "Il silicio poroso: un materiale nanostrutturato per la fabbricazione di nuovi dispositivi a stato solido G. Barillaro, P. Bruschi, A. Diligenti, F. Pieri."— Transcript della presentazione:

1 Il silicio poroso: un materiale nanostrutturato per la fabbricazione di nuovi dispositivi a stato solido G. Barillaro, P. Bruschi, A. Diligenti, F. Pieri Tecnologie Microelettroniche e Microsistemi Dipartimento di Ingegneria dellInformazione Università di Pisa (I)

2 Agenda Dissoluzione elettrochimica del silicio in soluzioni di H 2 O/HF –Materiale microstrutturato ordinato –Materiale nanostrutturato random Microlavorazione elettrochimica –Fabbricazione di matrici di nanopunte in silicio Silicio poroso nanostrutturato –Fabbricazione di un microchip per monitoraggio ambientale

3 Agenda Dissoluzione elettrochimica del silicio in soluzioni di H 2 O/HF –Materiale microstrutturato ordinato –Materiale nanostrutturato random Microlavorazione elettrochimica –Fabbricazione di matrici di nanopunte in silicio Silicio poroso nanostrutturato –Fabbricazione di un microchip per monitoraggio ambientale

4 Dissoluzione elettrochimica del silicio in H 2 O/HF Caratteristica densità di corrente-tensione La dissoluzione del silicio è attivata dalle lacune La morfologia dello strato risultante dipende dai parametri di attacco: –Materiale nanostrutturato random –Materiale microstutturato ordinato

5 Agenda Dissoluzione elettrochimica del silicio in soluzioni di H 2 O/HF –Materiale microstrutturato ordinato –Materiale nanostrutturato random Microlavorazione elettrochimica –Fabbricazione di matrici di nanopunte in silicio Silicio poroso nanostrutturato –Fabbricazione di un microchip per monitoraggio ambientale

6 Microlavorazione elettrochimica Fabbricazione di microstrutture in silicio –Silicio di tipo n, orientazione 100 –Ossidazione termica –Definizione geometria –Definizione seed –Attacco elettrochimico in H 2 O/HF –Asciugatura

7 Microlavorazione elettrochimica Fabbricazione di microstrutture in silicio –Silicio di tipo n, orientazione 100 –Ossidazione termica –Definizione geometria –Definizione seed –Attacco elettrochimico in H 2 O/HF –Asciugatura

8 Microstrutture fabbricate - 1 Micropiani Macropori Spirali quadrate

9 Tubi Colonne Punte Spirali circolari Strutture 3D Microstrutture fabbricate - 2

10 Dispositivi a vuoto integrati – Nanotriodi (1) Applicazioni –Elettronica Dispositivi per le radiofrequenze Flat panel displays –Spazio Neutralizzatori di carica –Ambiente Microsensori

11 Dispositivi a vuoto integrati – Nanotriodi (2) Emissione di elettroni ad effetto di campo –Emissione metallo-vuoto E fe 0.5 V/Å –Fowler-Nordheim: I = aV 2 exp(-b 3/2 /V) funzione lavoro del metallo –Lastra metallica: E plate = V/d –Punta metallica: E tip = V/5r tip per r tip 100 Å r d Anodo Gate

12 s S Matrici di nanopunte - 1 Processo di fabbricazione –Silicio n, 100, ·cm –Ossidazione termica –Definizione geometria –Attacco in KOH –Attacco elettrochimico in H 2 O/HF HF

13 Processo di fabbricazione –Ossidazione termica (ossido di isolamento) –Evaporazione elettrodo di estrazione (cromo) –Lift-off delle nanopunte in silicio Processo autoallineato ad una maschera 10 nm Matricidi nanopunte - 2

14 Simulazioni nanopunte ISE-TCAD –Nanopunta Silicio cristallino di tipo n Raggio curvatura: 10nm –Isolamento Ossido di silicio –Elettrodo di estrazione Metallo –Corrente di emissione 0.5 μ A per 0.75 A/cm

15 Agenda Dissoluzione elettrochimica del silicio in soluzioni di H 2 O/HF –Materiale microstrutturato ordinato –Materiale nanostrutturato random Microlavorazione elettrochimica –Fabbricazione di matrici di nanopunte in silicio Silicio poroso nanostrutturato –Fabbricazione di un chip per monitoraggio ambientale

16 Monitoraggio ambientale NO 2 è un gas tossico –Legislazione italiana: Livello di attenzione: 106 ppb Livello di allarme: 212 ppb Monitoraggio di NO 2 –Sensori a stato solido Nuovi materiali per i sensori di gas integrati –Silicio poroso nanostrutturato

17 Sensori di gas integrati basati su silicio poroso nanostrutturato Il silicio poroso nanostrutturato (SPnS) è un materiale molto interessante per le tecnologie elettroniche –Proprietà morfologiche, chimiche e fisiche –Compatibilità con i processi di integrazione industriali Sensori di gas integrati basati su silicio poroso nanostrutturato random –Integrazione di uno strato di SPnS in prossimità di un dispositivo elettronico standard (FET, diodo, resistore, etc.) –Modifica delle proprietà elettriche del dispositivo elettronico integrato attraverso ladsorbimento di molecole nello strato di SPnS

18 APSFET ̶̶ Principio di funzionamento Fabbricazione del sensore –Substrato di silicio p –Contatti in silicio n + –Produzione dello strato sensibile di SPnS Principio di funzionamento –Adsorbimento di molecole nel SPnS –Modulazione del canale del FET PS Drain Source Drain Source

19 Chip Integration in BCD6 (1) Progetto del chip –Elettronica 3 amplificatori operazionali 1 amplificatore differenziale per strumentazione Tensione di riferimento (architetura band-gap) Sensore di temperatura (ΔV BE -based ) MOS di potenza da usare come riscaldatori –Sensori Matrice 2x4 di APSFET

20 Integrazione del chip in BCD6 (1) Fabbricazione del chip –0.35 μm BCD6 (Bipolar+CMOS+DMOS ) of STMicroelectronics Substrato di tipo p Well di tipo p e n Impianti di tipo p + e n + 3 livelli di metal –4 mm x 4 mm large 4 mm

21 Integrazione del chip in BCD6 (2) Post-processing del chip –SPnS in aree opportune Maschera di photoresist Rimozione ossido di silicio Formazione SnS Rimozione photoresist Asciugatura –Parametri di anodizzazione I etch =20 mA/cm 2 t etch =20 s ElectronicsSensor

22 Interfaccia integrata di pilotaggio- lettura APSFET On-chip elements Dipendenza esponenziale: V out -V REF =a exp(b [NO 2 ]) [NO 2 ]=100 ppb corrisponde a V OUT =1.2 V R 2 =0.9986

23 V tsh Circuito di allarme On-Chip per il rilevamento di NO 2 On-chip elements V tsh =1.2 V corrisponde a [NO 2 ]=100 ppb

24 Ringraziamenti Si ringrazia STMicroelectronics stabilimento di Cornaredo (Milano)-Italia Grazie


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