In questo lavoro di tesi è stato realizzato e caratterizzato un nuovo sensore di gas, che sfrutta il silicio poroso quale elemento sensibile.

Conclusioni

In questo lavoro di tesi è stato realizzato e caratterizzato un nuovo sensore di gas, che sfrutta il silicio poroso quale elemento sensibile.

Questo tipo di dispositivo ha mostrato un’elevata sensibilità nei confronti dei vapori organici ed è caratterizzato da un processo di fabbricazione molto semplice, richiedendo due passi di litografia. A questo si deve aggiungere la compatibilità del processo di produzione di questi sensori con quelli VLSI standard, grazie al fatto che l’anodizzazione risulta l’ultimo degli step necessari alla fabbricazione del dispositivo.

Le peculiarità di questo nuovo tipo di sensori sono: l’elevata velocità di risposta e la presenza di un terzo terminale di Gate che consente, attraverso la sua polarizzazione, di modulare la sensibilità del dispositivo. In seguito all’introduzione e alla rimozione della specie gassosa, sono stati fatti registrare tempi di salita e di discesa di circa, rispettivamente, 35 secondi e 150 secondi.

Questi sono tempi caratteristici molto ridotti in confronto a molti altri sensori a

stato solido, e in particolare rispetto all’APSFET, altro sensore che sfrutta il

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silicio poroso come substrato adsorbente, che presenta tempi di salita di circa 2 minuti e tempi di discesa di circa 10 minuti.

I sensori di gas vengono realizzati su wafer che hanno uno strato di silicio di tipo p, ottenuto per impiantazione ionica, su substrato di tipo n.

I dispositivi hanno tre terminali, con due contatti interdigitati sulla superficie del wafer con drogaggio di tipo p ed un contatto sul back del wafer. I campioni sono stati realizzati presso il Laboratorio di Tecnologie Microelettroniche e Microsistemi del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa. Definiti i contatti in alluminio mediante un processo litografico, tramite un attacco elettrochimico in HF, si realizza uno strato di silicio poroso, sulla superficie del wafer con drogaggio di tipo p, nelle zone lasciate scoperte dai contatti metallici. Lo strato di silicio poroso ottenuto di norma si estende in profondità fino ad una certa distanza dall’interfaccia silicio di tipo p-silicio di tipo n, così da lasciare sotto lo strato poroso un canale di silicio cristallino di tipo p. Le specie gassose adsorbite nello strato di silicio poroso possono alterare la distribuzione di carica all’interfaccia tra silicio poroso e silicio di tipo p, provocando delle variazioni della corrente di conduzione che scorre nel canale di silicio cristallino in risposta ad una tensione applicata tra i due pad.

Lo studio del dispositivo è stato effettuato diversificando lo spessore e il grado di

porosità degli strati porosi e valutando gli effetti che questi parametri hanno sul

comportamento del sensore. A tal fine sono stati prodotti dispositivi in cui, nel

processo di anodizzazione, sono stati scelti come parametri la durata dell’attacco

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elettrochimico e la densità di corrente di anodizzazione; questi due parametri sono stati fatti variare in un certo range di valori, il tempo di anodizzazione tra 30 e 55 secondi e la densità di corrente tra 20 e 40 mA/cm

.

Alla fase di realizzazione del campione è seguita quella di caratterizzazione elettrica. E’ stato testato il comportamento del sensore in presenza di vapori organici di alcuni alcoli, effettuando sia caratterizzazioni corrente-tensione (I-V) che caratterizzazioni corrente-tempo (I-t).

Per effettuare la caratterizzazione descritta è stato utilizzato un sistema che, avvalendosi contemporaneamente della tecnica di saturazione e di diluizione, permette di inviare nella camera di test una determinata concentrazione di vapori organici in un flusso portante di azoto, in un range percentuale che va dalla centinaia alle decine di migliaia di ppm.

Le caratterizzazioni effettuate hanno evidenziato alcuni aspetti interessanti di

questo tipo di sensori: (i) caratteristiche I-V che evidenziano un comportamento

del dispositivo simile a quello di un JFET; (ii) aumento della corrente di

conduzione del sensore in seguito all’adsorbimento di vapori organici; (iii) buona

sensibilità anche a basse concentrazioni di specie gassose; (iv) velocità di

risposta molto elevate sia per l’adsorbimento che per il desorbimento; (v)

individuazione di un range di spessori di silicio poroso per cui il sensore fa

registrare prestazioni migliori; (vi) aumento della sensibilità al crescere del grado

di porosità e della superficie esposta, a parità di spessore di silicio poroso

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cresciuto; (vii) diversa sensibilità a seconda della particolare specie gassosa testata.

Infine è stato proposto un possibile principio di funzionamento del sensore sulla base dei risultati sperimentali. Esso prova a spiegare l’aumento della corrente di conduzione in presenza di vapori organici con la formazione di un’enorme quantità di difetti, nei pressi dell’interfaccia tra silicio di tipo p e silicio poroso, dovuti all’interruzione della periodicità del silicio cristallino.

Questi difetti potrebbero agire da trappole per la carica, e dato che i vapori organici usati sono molecole polari, quando questi vengono adsorbiti potrebbero modificare la carica localizzata all’interfaccia fra i due materiali, e di conseguenza anche lo spessore del sottostante strato di carica spaziale, provocando una variazione della corrente di conduzione nel canale di silicio di tipo p. Devono comunque ancora essere chiariti i meccanismi che regolano l’interazione tra silicio poroso e vapori organici.

Il lavoro effettuato in questa tesi ha una natura prettamente sperimentale,

comunque può aiutare ad acquisire una maggiore conoscenza dei fenomeni che

intervengono nell’interazione tra silicio poroso e specie gassose presenti

nell’ambiente. Un’ulteriore ragione per continuare la ricerca nella direzione di

questo tipo di dispositivi è rappresentata dagli innumerevoli vantaggi che essi

offrono, primo fra tutti la possibilità di integrare su uno stesso chip sia il sensore

che l’elettronica di condizionamento.