TABLEAU SYNOPTIQUE DES GARANTIES

parâmetros Keithley 4200-SCS. A Figura 4.23mostra a imagem superior por microscopia ótica de um ISFET com dimensões de W/L de 100/20 µm, que faz parte de um arranjo de 65 transistores. Esse arranjo foi utilizado para a caracterização elétrica.

Figura 4.23: Imagem superior por microscopia optica do ISFET com dimensões de W/L de 100/20 µm, que faz parte de um arranjo de 65 transistores. Os contatos de fonte e dreno são de alumínio (Al). O eletrodo integrado de referência é de ouro (Au). O dielétrico de porta (membrana sensitiva) é de oxido de titânio (TiO2).

Como foi explicado anteriormente (seção 2.4), as extrações das sensibilidades em corrente (mA/pH) e em tensão (mV/pH) do ISFET são feitas utilizando-se as curvas de IDS x VDS, para VGS constante, e de IDS x VGS para VDS constante, variando-se os valores

de pH das soluções.

No primeiro teste do arranjo de ISFETs, utilizou-se um pseudo eletrodo de referência externo de Au, para a obtenção das curvas IDS x VDS para VGS constante (Figura

4.24A), variando os valores de pH. Os resultados com o eletrodo de referência externo serão comparados posteriormente aos resultados do eletrodo integrado.

Figura 4.24: Em A): Curvas IDS x VDS, com VGS = 1,6 V, para diferentes valores de pH (entre 3 e 10) de solução ácidas e básicas; em B): Curva de calibração IDS x pH, fixando-se o valor de VDS = 1,2 V, e extraindo-se as correntes IDS correspondentes aos valores de pH.

A Figura 4.24A apresenta as curvas IDS x VDS, com VGS = 1,6 V, e para

diferentes valores de pH (entre 3 e 10) de soluções ácidas e básicas. Fixando-se o valor de VDS = 1,2 V, as correntes IDS correspondentes aos valores de pH foram extraídas,

resultando na curva de calibração IDS x pH (Figura 4.24B). Dessa curva, extrai-se a

sensibilidade em corrente do aranjo de 65 ISFETs, através da inclinação do ajuste linear proposto. A sensibilidade resultante foi de 1,3 mA/pH, que é um valor maior que 63 µA/pH obtido em trabalho anterior (BARROS, 2013), desenvolvido no mesmo laboratório, com o TiO2 como dielétrico de porta. Vale ressaltar que a constante dieletrica

de 16 foi obtida para o TiO2 do trabalho de BARROS (BARROS, 2013), em que o arranjo

de transistores era de 78 transistores. Nessa tese, a constante dieletrica do TiO2 é de 60,8

e o arranjo é de 65 transistores. Além disso, note que a tensão de operação é para VG < 2

V. Baixas tensões de porta são vantajosas para o ISFET em aplicações portáteis (uso de baterias convencionais de 1,5 V), e para evitar a formação de bolhas na solução em análise. As bolhas dificultam à aproximação dos íons para a interação com a membrana sensitiva (TiO2), que por sua vez atrapalha a sensibilidade do dispositivo. Esse valor

obtido de sensibilidade também é uma ordem de grandeza maior que os os valores de sensibilidades encontrados na literatura (CHEN, 2015; HUANG, 2016; LEE, 2016; MANJAKKAL, 2020). CHEN e colaboradores (CHEN, 2015) fabricaram um ISFET com óxido de gálio (GaxOy) para detecção de pH. Nesse trabalho a sensibilidade do dispositivo

foi de 56 µA/pH. LEE e colaboradores (LEE, 2016) desenvolveram um ISFET com nano- fios de silício (SiNW) para detecção de pH. Nesse trabalho a sensibilidade foi de 23 nA/pH. HUANG e colaboradores (HUANG, 2014; MANJAKKAL, 2020) desenvolveram dois ISFET para detecção de pH. O primeiro dispositivo foi fabricado com nano-fios de TiO2 (TiO2NW) e o segundo apenas com o filme de TiO2. O dispositivo

com nano-fios apresentou uma sensibilidade de 64 µA/pH, maior que a sensibilidade de 51 µA/pH apresentado pelo dispositivo com apenas o filme de TiO2.

Portanto, o resultado obtido pelo ISFET fabricado nessa tese é uma ordem de grandeza maior que a sensibilidade apresentada pelos antigos ISFETs, desenvolvidos no mesmo laboratório (CCSNano) (BARROS, 2013; SOUZA, 2012), e é uma ordem de grandeza maior que as sensibilidades apresentadas pela literatura (CHEN, 2015; HUANG, 2014; LEE, 2016; MANJAKKAL, 2020), incluindo a literatura atual de 2020 (MANJAKKAL, 2020).

No segundo teste do arranjo de ISFETs, utilizou-se o eletrodo integrado de referência de Au (Figura 4.23), para a obtenção das curvas IDS x VDS para VGS constante

(Figura 4.25A), variando os valores de pH. Vale ressaltar que o arranjo de ISFETs com o eletrodo integrado de referência de TiN não foi testado devido ao problema de fabricação relatado na seção 4.1.3 (Figura 4.9B).

Figura 4.25: Arranjo de 65 ISFETs com eletrodo integrado de referência de Au/Ti; A) Curvas IDS x VDS, com VGS = 1,6 V, para diferentes valores de pH (entre 3 e 10) de soluções ácidas e básicas; B) Ampliação das curvas IDS x VDS, com VGS = 1,6 V, para diferentes valores de pH (entre 3 e 10), mostrando o entrelaçamento e a redução dos valores de IDS para soluções de pH básico; C): Curvas IDS x VDS, com VGS = 1,6 V, para as soluções com pHs ácido e neutro, entre 3 e 7; D) Curvas IDS x VDS, com VGS = 1,6 V, para as soluções com pHs básicos, 9 e 12; E): Curva de calibração IDS x pH, fixando-se o valor de VDS = 1,2 V, e extraindo-se as correntes IDS correspondentes aos valores de pH.

As Figura 4.25A e Figura 4.25B apresentam as curvas IDS x VDS com VGS =

1,6 V e para diferentes valores de pH (entre 3 e 12) de soluções ácidas e básicas. Fixando- se o valor de VDS = 1,2 V, as correntes IDS correspondentes aos valores de pH foram

extraídas, resultando na curva de calibração IDS x pH (Figura 4.25E). Vale salientar que

a Figura 4.25B mostra a ampliação das curvas IDS x VDS para tensões de VDS entre 1 e 1,4

V, para enfatizar os efeitos que serão discutidos a seguir.

A Figura 4.25A mostra que ocorreu entrelaçamento das curvas, especialmente para tensões VDS menores que 0,6 V. Esse entrelaçamento é devido à

corrente de fuga através do dielétrico de porta (TiO2). A Figura 4.25Bmostra que ocorreu

redução das correntes IDS para soluções com pHs básicos (9, 10 e 12), quando se compara

aos valores de IDS para pHs 5 e 7. Tanto o entrelaçamento, quanto a redução de IDS para

pHs básicos, não ocorreram para o mesmo arranjo de ISFETs, utilizando-se o pseudo eletrodo de referência externo (Figura 4.24A). Mas ocorreram quando utilizou-se o eletrodo integrado de referência de Au, tratando-se dos mesmos efeitos (emissão Schottky e tunelamento Fowler-Nordheim) de correntes de fuga, que ocorreram com os capacitores EIS com o mesmo eletrodo integrado (Figura 4.19A). Para extrair as sensibilidades para regiões de pHs ácidos/neutros (3, 4, 5 e 7) e básicos (9, 10 e 12), foram separadas as curvas IDS x VDS, conforme mostram as Figura 4.25C e Figura 4.25D, respectivamente.

Internamente nessas figuras estão as curvas de IDS x pH para extração das sensibilidades

de 755 µA/pH e 92 µA/pH em cada região, respectivamente. Verifica-se que a sensibilidade para a região para pHs básicos apresentou um valor quase uma ordem de grandeza menor que o a ácida. Mesmo assim, esses valores, quando comparados com sensibilidades de 1,35 µA/pH, 28 µA/pH e 63 µA/pH de outros dispositivos ISFETs com membranas sensitivas de SiNx, AlN e TiO2 (BARROS, 2013; SOUZA, 2012),

respectivamente, desenvolvidos no mesmo laboratório (CCS Nano), indicam que o TiO2

desenvolvido nesse trabalho é mais sensível. Sendo, também, mais sensível que os ISFETs apresentados na literatura (CHEN, 2015; HUANG, 2014; LEE, 2016; MANJAKKAL, 2020), incluindo a literatura atual de 2020 (MANJAKKAL, 2020).

A desvantagem da estrutura contendo o TiO2, como membrana sensitiva, e o

Au, como eletrodo integrado de referência, é a corrente de fuga apresentada devido aos efeitos de emissão Schottky e tunelamento Fowler-Nordheim através do dielétrico de porta. Em trabalhos futuros serão fabricados ISFETs com eletrodo integrado de referência

de TiN, pois sua função trabalho de 4,6 eV, quando comparada a do Au de 5,47 eV, como visto anteriormente na seção 4.3.2, reduz o encurvamento de bandas de energia, evitando o efeito tunelamento Fowler-Nordheim (Figura 4.20A). Para evitar o efeito emissão Schottky, devido ao conduction band offset de 0,9 eV (ROBTERSON, 2004) entre o filme de TiO2 e o substrato de Si (Figura 4.20B), deve-se introduzir entre os dois materiais um

óxido de silício ultrafino, em torno de 10 nm de espessura, obtendo-se uma estrutura TiO2/SiO2/Si.

Quando se compara os resultados extraídos do mesmo arranjo de ISFETs utilizando-se os eletrodos externo (Figura 4.24) e integrado (Figura 4.25) de referências de Au, verifica-se que o desempenho do dispositivo com o eletrodo externo foi muito bom, tanto em relação à sensibilidade da ordem de mA/pH, quanto a não apresentar os efeitos que introduziram a corrente de fuga no arranjo com o eletrodo integrado. Vale ressaltar que o ISFET com eletrodo externo de Au, fabricado nessa tese, apresentou um valor de sensibilidade uma ordem de grandeza maior que a sensibilidade do ISFET com eletrodo integrado de Au/Ti, fabricado nessa tese, uma ordem de grandeza maior que a sensibilidade dos antigos ISFETs, desenvolvidos no mesmo laboratório (CCSNano) (BARROS, 2013; SOUZA, 2012), e uma ordem de grandeza maior que a sensibilidade apresentada pela literatura (CHEN, 2015; HUANG, 2014; LEE, 2016; MANJAKKAL, 2020), incluindo a literaturaatual de 2020 (MANJAKKAL, 2020).