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Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Materiales OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY Departamento Física Aplicada AUTORA: Julia Curto Martín TUTORA: Elena Pascual Corral COTUTOR: José Manuel Iglesias Pérez OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 1 RESUMEN En el presente trabajo, se han realizado unas modificaciones al estudio publicado por T. Ekkens de la universidad de Walla Walla en el cual se explica la fabricación de diodos Schottky, a través del uso de bombillas halógenas de 500W, que se encuentran en las lámparas de jardín. Con el fin de sustituirlo por una placa vitrocerámica de 2000W. El nuevo proceso de fabricación es mucho más sencillo y seguro, haciéndolo mucho más apto para ser usado en prácticas de campo y como objetivo de divulgación científica referente a métodos de fabricación en electrónica. Los diodos fabricaros se realizaron atendiendo especialmente a dos parámetros: tiempo de recocido y número de recocidos realizados al oro y al aluminio. Los diodos obtenidos se caracterizaron con ayuda del dispositivo de adquisición de datos MyDAQ y un programa diseñado en el área de Electrónica (perteneciente al Departamento de Física Aplicada) de la USAL, llamado USALmyDAQv1.1, qué es un osciloscopio diseñado especialmente para la medición de curvas I-V. Las gráficas obtenidas se compararon entre sí y con las de los diodos obtenidos mediante el método de fabricación especificado en el trabajo de T. Ekkens. Logrando obtener un nuevo procedimiento de fabricación, que permite conseguir diodos Schottky con carácter rectificador, mejor que los que se obtenían anteriormente con la lámpara de jardín. Palabras clave: Diodos Schottky – contacto rectificador – fabricación – asequible – no convencional – vitrocerámica OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 2 ABSTRACT In this work, modifications have been made to the study published by T. Ekkens from Walla Walla University, which explains the fabrication of Schottky diodes using 500W halogen bulbs found in garden lamps. The aim is to replace this method with the use of a 2000W vitroceramic plate. The new manufacturing process is much simpler and safer, making it much more suitable for field practices and as a target for scientific dissemination regarding electronic manufacturing methods. The fabricated diodes were characterized with two key parameters: annealing time and number of annealings performed on gold and aluminum. They were tested using the data acquisition device MyDAQ and a program developed in the area of Electronics (belonging to the Department of Applied Physics) USAL called USALmyDAQv1.1, which is an oscilloscope specifically designed for I-V curve measurements. The obtained graphs were compared among themselves and with those obtained using the fabrication method specified in T. Ekkens' work. Achieving a new manufacturing procedure that enables the production of Schottky diodes with rectifying characteristics, superior to those previously obtained with the garden lamp. Keywords: Schottky diodes – rectifying contact – fabrication – affordable – unconventional – vitroceramic. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 3 ÍNDICE 1. OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ................................ 9 2. UNIÓN METAL-SEMICONDUCTOR ..................................................... 9 2.1. CONTACTO ÓHMICOS .................................................................. 11 2.2. CONTACTO RECTIFICADOR ....................................................... 13 3. DIODO SCHOTTKY 15 3.1. FUNCIONAMIENTO DEL DIODO SCHOTTKY .......................... 18 3.1.1. Diodo Schottky No Polarizado .................................................... 18 3.1.2. Diodo Schottky en Polarización Directa ...................................... 19 3.1.3. Diodo Schottky en Polarización Inversa ....................................... 20 3.2. APLICACIONES DEL DIODO SCHOTTKY ................................. 23 3.3. CARACTERIZACIÓN DEL DIODO SCHOTTKY ........................ 24 3.4. FABRICACIÓN DE UN DIODO SCHOTTKY DE SILICIO EN UNA SALA BLANCA. .............................................................................................. 26 4. ANTECEDENTES TEÓRICOS 31 4.1. PROBLEMAS OBSERVADOS DURANTE EL MONTAJE EXPERIMENTAL ..................................................................................................... 32 5. OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN ....................... 34 5.1. PROPUESTAS DE MEJORAS RESPECTO AL MONTAJE EXPERIMENTAL ..................................................................................................... 34 6. MEDIDA DE LAS CURVAS I-V. MONTAJE MYDAQ ....................... 37 6.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PARA LA DEFINICIÓN DEL PROTOCOLO DE FABRICACIÓN ................................................................. 42 6.1.1. Comparación de los resultados obtenidos mediante la vitrocerámica 53 6.2. COMPARACIÓN DE LOS DATOS CON LOS OBTENIDOS MEDIANTE LA LÁMPARA .................................................................................... 58 6.3. ESTUDIO PRELIMINAR DE LA VARIABILIDAD...................... 61 6.3.1. Variaciones respecto a la distancia de contacto ........................... 61 OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 4 6.3.2 Variabilidades intrínsecas al proceso ............................................ 63 6.4. ESTIMACIÓN DE COSTES ............................................................ 65 7. CONCLUSIONES 71 8. BIBLIOGRAFÍA 73 Anexo 1 1 OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 5 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Metal-semiconductor antes de la unión. ........................................... 10 Figura 2: Unión óhmica (a) antes y (b) después del contacto. ......................... 12 Figura 3: Estructura de bandas de energía de un contacto rectificador metal/semiconductor-n sin polarización aplicada........................................................... 14 Figura 4: Walter H. Schottky [5]. ..................................................................... 15 Figura 5: Capa de agotamiento en el semiconductor tipo n debido a la transferencia de electrones del metal. ............................................................................. 17 Figura 6: Movimiento de los electrones y huecos en un diodo Schottky no polarizado. ...................................................................................................................... 19 Figura 7: Unión Schottky bajo polarización directa [12]. ................................ 19 Figura 8: Movimiento de electrones y huecos en un diodo Schottky con polarización directa......................................................................................................... 20 Figura 9: Unión Schottky en polarización inversa [12]. .................................. 21 Figura 10: Movimiento de electrones y huecos en un diodo Schottky con polarización inversa. ....................................................................................................... 22 Figura 11: Característica I-V de un diodo Schottky. Propiedad de rectificador [12]. ................................................................................................................................ 22 Figura 12: Transistor NPN con diodo Schottky como fijación. ....................... 24 Figura 13: Obleasde silicio <100>[20]. ........................................................... 26 Figura 14: Capa de óxido de silicio sobre la oblea [21]. ................................. 27 Figura 15: Limpieza de la muestra mediante el RIE [22]. ............................... 27 Figura 16: Deposición del boro en una muestra enmascarada [22]. ................ 28 Figura 17: Placa calefactora o hotplate [23]. .................................................... 28 Figura 18: Colocación de las dos muestras y muestra dentro del horno [22]. . 29 Figura 19: Cinta de Kapton y Spin Coater [24]................................................ 30 Figura 20: Fórmula química de la piraña. ....................................................... 30 Figura 21: Jandel Universal Probe Station [25]. .............................................. 31 Figura 22: Oro deteriorado tras realizar la medida de la curva I-V. ................ 34 Figura 23: Cúpula de aluminio que ayuda a reflejar el calor al diodo. ............ 36 Figura 24: Interfaz software USAL. ................................................................. 38 Figura 25: Medir valores. ................................................................................. 39 Figura 26: Valores de medida VDD, Vpn e ID. ............................................... 39 OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 6 Figura 27: Medida curva I-V. ........................................................................... 39 Figura 28: Curva I-V obtenida. ........................................................................ 40 Figura 29: Guardar datos. ................................................................................. 40 Figura 30: Diseño del circuito en Multisim...................................................... 41 Figura 31: a) Diodo Schottky tipo n, 1 recocido de 5 min y Al lado no brillante ........................................................................................................................................ 44 Figura 32: Curva I-V de un diodo Schottky tipo N, con un recocido de 5 min y Al lado no brillante. ........................................................................................................ 45 Figura 33: Curva I-V de un diodo Schottky tipo N con un recocido de 5 min y Al lado brillante. ............................................................................................................. 46 Figura 34: Superposición de las curvas de 5 min de recocido. ........................ 46 Figura 35: Curva I-V de un diodo Schottky tipo P con un recocido de 5 min. 47 Figura 36: Curva I-V de un diodo Schottky tipo N con un recocido de 5 min y 10 min. ............................................................................................................................ 48 Figura 37: Curva I-V de un diodo Schottky tipo P con un recocido de 5 y 10 min. ................................................................................................................................. 49 Figura 38: Comparación entre las curvas de los diodos tipo N con 1 recocido de 10 min, 1 recocido de 5 minutos y 1 al aluminio y 2 recocidos al oro. .......................... 50 Figura 39: Comparación entre las curvas de los diodos tipo N con 1 recocido de 10 min, 1 recocido de 5 minutos, 1 recocidos al aluminio y 2 recocidos al oro y 2 recocidos al aluminio y 1 recocido al oro. ...................................................................... 51 Figura 40: Comparación entre las curvas de los diodos tipo P con 1 recocido de 10 min, 1 recocido de 5 minutos, 1 recocido al aluminio y 2 recocidos al oro. ............. 52 Figura 41: Comparación entre las curvas de los diodos tipo P con 1 recocido de 10 min, 1 recocido de 5 minutos, 1 recocidos al aluminio y 2 recocidos al oro y 2 recocidos al aluminio y 1 recocido al oro. ...................................................................... 53 Figura 42: Comparación de los diodos tipo N fabricados con la vitrocerámica. ........................................................................................................................................ 54 Figura 43: Recta de tendencia de los diodos. ................................................... 55 Figura 44: Comparación de los diodos tipo P fabricados con la vitrocerámica. ........................................................................................................................................ 56 Figura 45: Comparativa de las curvas obtenidas mediante la lámpara halógena tipo N y tipo P. ................................................................................................................ 58 OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 7 Figura 46: Comparativa de los diodos tipo N obtenidos mediante la vitrocerámica y mediante la lámpara halógena. ............................................................. 58 Figura 47: Comparativa de los diodos tipo P obtenidos mediante la vitrocerámica y mediante la lámpara halógena. ............................................................. 59 Figura 48: Diodos fabricados con diferentes distancias de los contactos. 1 milímetro, 2 milímetros y 3 milímetros. ......................................................................... 62 Figura 49: Curva I-V de los diodos fabricados con distintas distancias de contactos. ........................................................................................................................ 62 Figura 50: Curvas I-V de todos los diodos tipo N fabricados mediante 2 recocidos del aluminio 1 un recocido del oro. ................................................................ 64 Figura 51: Placa Portátil Orbegozo [29]........................................................... 66 Figura 52: Pan de oro [31]. ............................................................................... 66 Figura 53: MESTEK IR01D [32]. .................................................................... 66 Figura 54: Papel Albal [33]. ............................................................................. 67 OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Tabla con los datos de las pendientes y voltajes umbrales de los diodos tipo N fabricados con la vitrocerámica. .............................................................. 55 Tabla 2: Pendientes y voltajes umbrales de los diodos tipo P fabricados con la vitrocerámica. ................................................................................................................. 57 Tabla 3: Tabla comparativa de las pendientes y voltajes umbrales de los diodos tipo N obtenidos a través de la lámpara halógena y la vitrocerámica. ........................... 59 Tabla 4: Tabla comparativa de las pendientes y voltajes umbrales de los diodos tipo P obtenidos a través de la lámpara halógena y la vitrocerámica. ............................ 60 Tabla 5: Pendientes de los diodos con distinta distancia de contacto .............. 62 Tabla 6: Voltajes umbrales de los diodos fabricados con distinta distancia entre los contactos ................................................................................................................... 63 Tabla 7: Pendientes de todos los diodos tipo N fabricados mediante 2 recocidos del aluminio 1 un recocido del oro. ................................................................................ 64 Tabla 8: Estimación de costes del proyecto con la vitrocerámica. ................... 68 Tabla 9: Estimación de los costes con la lámpara halógena............................. 68 OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONALY ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 9 1. OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO El objetivo de este proyecto es la mejora y optimización de un proceso de fabricación no convencional y asequible de diodos Schottky. En el contexto de este trabajo se entiende por “no convencional y asequible” un proceso en el que los materiales necesarios son fácilmente accesibles para el público en general, y donde las instalaciones como una sala blanca no son necesarias. Es decir, se busca un proceso que no precise de equipamiento de alta tecnología, por lo que podrá ser realizado en cualquier centro de enseñanza. Este proyecto toma como punto de partida el trabajo publicado por la American Association of Physics Teachers, [1] en el cual se explica la fabricación de diodos Schottky, a través del uso de bombillas halógenas de 500W (como las que se encuentran en las lámparas de jardín), láminas de oro de 22K (pueden obtenerse en las tiendas de arte), de aluminio (se puede obtener en cualquier supermercado) y por último, obleas de silicio, que pueden ser tanto tipo n como tipo p, con una resistividad de entre 0,02 Ωcm a 10 Ωcm. El objetivo será mejorar y estandarizar este proceso de fabricación, para que el diseño de diodos Schottky sea más sencillo y cómodo. Los procesos de fabricación son una parte muy importante de las competencias de un Ingeniero de Materiales, así como, la manipulación a nivel microscópico de los materiales para el estudio de propiedades electrónicas y la obtención de estructuras funcionales. Todo esto se configura también como un importante objetivo de este proyecto. Además, este trabajo se plantea a modo de guía para que los estudiantes de este grado puedan poner en práctica diversos conceptos relativos a los procesos de fabricación estudiados [1]. 2. UNIÓN METAL-SEMICONDUCTOR Este tipo de unión eléctrica constituye un tema de interés tecnológico, ya que dichas uniones conforman la interfaz que conecta el mundo exterior de cualquier dispositivo electrónico basado en semiconductores, con su interior. En este capítulo se van a explicar los principios físicos que determinan el comportamiento de este tipo de uniones en función de los materiales empleados a ambos lados de la unión. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 10 En primer lugar, es importante conocer las propiedades físicas fundamentales de los metales y semiconductores que pasarán a determinar las propiedades de la unión. Para ello, supongamos un metal y un semiconductor previamente a construir la unión, tal y como se representa en la Figura 1. Figura 1: Metal-semiconductor antes de la unión. En este esquema podemos observar los siguientes conceptos: • Afinidad electrónica qχ: es la energía que necesita un electrón que se localiza en la banda de conducción para alcanzar la energía de vacío E0, es decir, la energía necesaria que debe aportarse a un electrón para arrancarlo del átomo. • Función de trabajo qՓ: diferencia de la energía entre el nivel de energía de vacío E0 y el nivel de Fermi EF. • La barrera que se forma en la unión, dada por la diferencia entre las anteriores: E = qΦM – qχ En el caso del metal, ՓM viene dada por el metal en cuestión, ya que es una propiedad intrínseca de cada uno. Por su parte, en el caso del semiconductor, ՓSC dependerá del valor del dopaje de este y su concentración de impurezas, ya que esto influenciará a la posición del nivel de Fermi del semiconductor en el equilibrio EFS. En términos generales ՓSC será mayor cuando el dopado es tipo P que cuando es tipo N. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 11 • Por último, tenemos qVn, que corresponde con la diferencia de energía que hay entre la banda de conducción Ec y el nivel de Fermi en el semiconductor EFS [2]. Una vez que entren en contacto alcanzando un equilibrio termodinámico, y considerando que la unión es ideal, los niveles de Fermi de ambos materiales se alinearán. Esto da lugar a la aparición de una interfaz metal-semiconductor en el que las diferencias entre las funciones de trabajo del metal y del semiconductor, condicionan el perfil energético de la estructura de bandas en dicha interfaz y sus proximidades, determinando, en última instancia, las características de la unión [3]. De la unión metal-semiconductor pueden surgir dos posibles situaciones. La primera es que el contacto formado sea de tipo óhmico, presentando una resistencia muy baja, que permitirá el paso de corriente del metal al semiconductor y viceversa. La segunda es que sea de tipo rectificador, denominado también barrera Schottky, que principalmente permite el flujo de corriente en un único sentido [4][5][6]. 2.1. CONTACTO ÓHMICOS El término óhmico se refiere a la unión de un contacto metal-semiconductor con muy baja resistencia de contacto y en el que no se da el efecto rectificador, es decir, que no existe una diferencia significativa en la resistencia respecto al sentido de la corriente. Este es el tipo de contacto deseado para la realización de interconexiones de cualquier dispositivo con los circuitos exteriores. Debido a su baja resistencia esta unión, permite una buena conducción de la corriente en ambas direcciones, tanto en la dirección del metal hacia el semiconductor, como del semiconductor al metal. Idealmente, la corriente formará una función lineal de potencial aplicado. La búsqueda de contactos óhmicos de muy baja resistencia es un área importante de estudio debido a la necesidad de obtener buenas conductividades en nanodispositivos escalados fabricados con geometrías complejas. Se emplearán los contactos óhmicos cuando los contactos metálicos se utilicen como alimentadores de corriente para la parte activa de un dispositivo. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 12 De acuerdo al diagrama energético visto previamente en la Figura 1, se dará este tipo de contacto cuando la función de trabajo del metal sea menor que la del semiconductor en caso de ser tipo N y que sea mayor en caso de ser tipo P: • Tipo n qՓM < qՓSC • Tipo p qՓM > qՓSC El diagrama de bandas de energía en la unión en equilibrio es el siguiente: Figura 2: Unión óhmica (a) antes y (b) después del contacto. En este caso consideraremos un semiconductor de tipo N (si fuera de tipo P sería análogo a lo que se va a contar). Al aproximarse se igualarán los niveles de Fermi del metal y del semiconductor, alcanzándose el equilibrio. Esto hará que se produzca una transferencia de electrones del metal al semiconductor. Al ser la función de trabajo del metal inferior a la del semiconductor, se generará una curvatura en la banda de conducción del semiconductor, tomando forma cóncava con respecto al nivel de Fermi, tal y como puede apreciarse en la Figura 2. Como consecuencia de esta curvatura se originará un campo eléctrico dentro del semiconductor, cuya orientación será del metal al semiconductor, debido a las cargas que se acumulan en la interfaz: • Carga positiva en el lado del metal • Carga negativa en el lado del semiconductor denominada capa de acumulación. Esta región poseerá una conductividad más elevada que la mayor parte del semiconductor, gracias a la acumulación de electrones en esa zona. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 13 De esta forma cuando se aplica una polarización a la unión, los portadores fluirán libremente a través de la interfaz debido a una ausencia de barrera de potencial. Estos irán de la zona de acumulación en la que se encuentran los portadores mayoritarios (electrones, al tratarse de un semiconductor de tipo N) a la zona en la que seencuentran los portadores minoritarios (metálica). Esto implica que tanto la salida como entrada de electrones del semiconductor tiene que verse compensada con la entrada o salida de huecos desde el metal. Por lo tanto, una unión óhmica se comporta como una resistencia conductora tanto en polarización directa como inversa. Como acabamos de ver, se generará un campo eléctrico que dará como resultado la curvatura de las bandas del semiconductor hacia menores energías según se reduce la distancia con el metal, manteniendo constante el nivel de Fermi. La resistividad de la unión está determinada por la resistividad aparente del semiconductor. Unas de las aplicaciones más interesantes de los contactos óhmicos es su uso en dispositivos termoeléctricos, donde se puede enfriar un pequeño volumen mediante la aplicación de pequeñas corrientes directas. En las uniones óhmicas, en función de la dirección del flujo de corriente, se podrá absorber o generar calor, a esto se le denomina efecto Peltier. Por lo que cuando, la corriente fluye a través de una unión óhmica metal-semiconductor, el calor siempre se liberará o se absorberá [5][7]. 2.2. CONTACTO RECTIFICADOR Un metal que se encuentre con un semiconductor moderadamente dopado puede formar lo que se conoce como contacto rectificador (Figura 3) o diodo de barrera Schottky. La zona en la que se produce el contacto no se dará mezcla ni absorción de impurezas ni cargas. Para que este tipo de contacto se dé en el diodo se debe cumplir las siguientes condiciones en función del tipo de semiconductor: • Tipo n qՓM > qՓSC • Tipo p qՓM < qՓSC OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 14 Al unir el metal con el semiconductor, de la misma forma que ocurre en la unión P-N, se va a producir la difusión de los electrones como consecuencia del gradiente de concentración, lo que dará lugar a la formación de una región de carga espacial positiva de anchura W en el semiconductor, donde las impurezas pasarán a estar ionizadas en la zona próxima a la unión. Esta zona se denomina región de vaciamiento o de deplexión por ser una zona con una baja concentración de portadores libres (portadores mayoritarios). De la misma forma que aparece carga positiva en el lado del semiconductor, aparecerá una región de carga negativa en el lado del metal localizada en la frontera, consiguiéndose de esta forma obtener la neutralidad de carga. La presencia de esta carga tanto la positiva como la negativa cerca de la unión, será la causante de la aparición de un campo eléctrico orientado desde el semiconductor hasta el metal, alcanzando su valor máximo, en la zona de interfaz de la unión. A su vez, el campo eléctrico producirá una curvatura de las bandas de energía en la zona de la carga espacial, debido a la variación de un potencial en el interior del semiconductor, manteniéndose continuo el nivel de vacío. Figura 3: Estructura de bandas de energía de un contacto rectificador metal/semiconductor-n sin polarización aplicada. En la anterior figura (Figura 3) podemos observar los parámetros qVbi y qΦB0 que se van a oponer al movimiento de los electrones desde el metal al semiconductor, siendo la altura de la barrera, la diferencia de energía entre el nivel de Fermi y la banda de conducción en la interfaz. A estos conceptos se les pueden denominar altura de la barrera Schottky, que según la teoría de Mott- Schottky vendrá dada por: OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 15 qՓB0n = q (ՓM – χ) χs = Փs – (Ec – Ef) Y como potencial de contacto: Vbi = ՓB0n – Vn En este caso, el flujo de corriente no es lineal, la corriente va a fluir con mayor facilidad en el sentido del semiconductor al metal y no en el sentido del metal al semiconductor ya que qVbi < qΦBo. Esta característica hace que reciba efectivamente el nombre de contacto rectificador [8][2][8][5]. 3. DIODO SCHOTTKY El diodo Schottky también conocido como diodo de barrera, recibió este nombre gracias al físico alemán Walter H. Schottky (Figura 4), por su trabajo realizado durante la década de los 30 en el campo de la interfaz metal-semiconductor, desarrolló un modelo físico para dicho dispositivo. Sin embargo, ya en 1873 F. Braun habría descubierto el efecto rectificador de una unión metal-semiconductor. Gracias a estos estudios hoy en día el dispositivo principal basado en la unión de un metal y un semiconductor es conocido como diodo Schottky [3][4][9]. Figura 4: Walter H. Schottky [5]. Otros investigadores destacados en el desarrollo de estos dispositivos fueron: N. F. Mott F., H. Bethe, A. M. Cowley y S.M. Sze. Estos últimos implementaron un modelo que puede explicar muchos de los fenómenos característicos que pueden ser observados en rectificadores Schottky [10]. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 16 Atendiendo a su aplicación, podemos clasificar estos dispositivos como resistivos (varistor) o capacitivos (varactor): • Diodo Schottky resistivo o varistor: La conversión de la frecuencia en estos dispositivos se basa en la modulación de la resistencia. Son utilizados como mezcladores, detectores y multiplicadores de frecuencia. • Diodo Schottky capacitivos o varactor: Son dispositivos de capacidad variable y en este caso la conversión de la frecuencia se basa en modificar la capacidad. Son usados como multiplicadores de frecuencia y como elementos de sintonía de osciladores controlados por la tensión [11]. Los multiplicadores basados en los diodos resistivos tienen menor eficacia máxima que los capacitivos, pero, por el contrario, cubren un rango mucho más amplio de frecuencias. Por otro lado, los multiplicadores basados en diodos varactores ofrecen mayor rendimiento, mayores potencias de salida y mayores tensiones de ruptura que los diodos resistivos, lo que significa que se les puede asignar altas potencias de entrada [11]. Los diversos progresos en el desarrollo de la tecnología planar y en la formación del contacto metálico, han conducido a mejorar el contacto metal- semiconductor con características prácticamente ideales y reproducibles. El proceso principal en la fabricación del diodo Schottky consiste en depositar un sustrato semiconductor de tipo N o P sobre un metal. Se parecen en gran medida estos diodos de barrera a una unión P-N donde una de estas dos regiones semiconductoras ha sido sustituida por un metal. Unas de las ventajas de estos diodos frente a la unión P-N es que operarán con los portadores mayoritarios, lo que facilitará su funcionamiento a altas frecuencias. Alguna algunas de las ventajas adicionales que presentan sobre estos son: • Baja tensión umbral (polarizado en directa). • Ausencia de componentes lentos asociados con portadores minoritarios. • Se puede mantener corrientes elevadas con voltajes relativamente más bajos a los de la unión P-N. • Son despreciables las recombinaciones electrón-hueco, que ralentizarían el diodo. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 17 • Apenas existirá capacidad de difusión, por lo que al polarizar en directa la capacidad total es inferior, pudiendo funcionar a frecuencias mayores que los de la unión P-N. • Las velocidades de conmutación son elevadas debido a que la acumulación de portadores minoritarios es prácticamente nula, por lo que el tiempo de conexión y desconexión de este están únicamente limitados por los portadores mayoritarios [5]. Cuando se forma el contacto entre dos metales, las cargas se localizan en la superficie de contacto de ambos metales gracias a la alta densidad de portadores libres que caracteriza a los conductores.Sin embargo, cuando la unión se da entre un metal y un semiconductor, los electrones se localizan no sólo en la superficie sino también a cierta profundidad dentro del propio semiconductor. Esto es debido a la baja densidad de cargas dentro del semiconductor (aproximadamente 1017 cm-3). Dando lugar a la formación de una región de agotamiento, dentro de este, tal y como se puede observar en la Figura 5. Figura 5: Capa de agotamiento en el semiconductor tipo n debido a la transferencia de electrones del metal. Por lo que, cuando se da una unión Schottky entre un metal y un semiconductor, se alinearán ambos niveles de Fermi, generando un potencial positivo en el lado del semiconductor y debido a que esta región de agotamiento se localiza a cierta profundidad del semiconductor, las bandas se doblarán en la dirección del campo eléctrico, por lo que estas bandas de energía se curvarán pasando del semiconductor tipo N al metal, ver Figura 3 [7]. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 18 La unión Schottky puede polarizarse al aplicar un potencial externo, dando lugar a distintos funcionamientos de esta unión, como analizaremos a continuación [12]. 3.1. FUNCIONAMIENTO DEL DIODO SCHOTTKY Las explicaciones siguientes van a estar enfocadas para el tipo N, pero será un razonamiento análogo para el tipo P (considerando en este caso que el nivel de Fermi disminuye cuanto más elevado sea el número de impurezas del semiconductor). 3.1.1. Diodo Schottky No Polarizado Cuando el metal se une al semiconductor tipo N, los electrones libres de la banda de conducción del semiconductor se desplazarán al metal para establecer un estado de equilibrio. Como resultado, los átomos de la unión del metal ganan electrones extra y los átomos de la unión del lado N los perderán. Los átomos que pierden electrones del lado N se convierten en iones con carga neta positiva, mientras que los átomos que ganan electrones en el metal pasan a ser iones con carga neta negativa. Así, se crean iones positivos en la unión del lado N, e iones negativos en la unión del metal. Estos iones positivos y negativos son los que configuran la región de agotamiento. Esto generará una tensión o diferencia de potencial principalmente en el interior del semiconductor, que se puede entender como una barrera de energía al paso de los electrones desde el semiconductor al metal. Para superar esta barrera, los electrones libres necesitan una energía mayor que la barrera de potencial existente. En un diodo Schottky no polarizado esta barrera impide el flujo de electrones desde la banda de conducción del semiconductor hacia el metal. Este proceso puede verse representado en la Figura 6 [13]. Para el caso de una unión del metal con un semiconductor de tipo P, el funcionamiento será análogo. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 19 Figura 6: Movimiento de los electrones y huecos en un diodo Schottky no polarizado. 3.1.2. Diodo Schottky en Polarización Directa Cuando el voltaje aplicado en el metal es superior al aplicado al semiconductor tipo N, se dice que el diodo Schottky está en polarización directa. Es decir, el potencial externo se aplica de tal manera que se opone al potencial de la unión. Bajo polarización externa, los niveles de Fermi ya no se alinean, sino que se desplazan uno respecto al otro y la magnitud del cambio depende del voltaje aplicado, tal y como puede observarse en la Figura 7. Figura 7: Unión Schottky bajo polarización directa [12]. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 20 Al aplicar una tensión de polarización directa, se inyectan en el semiconductor un gran número de electrones libres tanto en el semiconductor como en el metal. Sin embargo, los electrones no podrán cruzar la unión a menos que la tensión aplicada sea superior a una dada. Si la tensión aplicada es superior, los electrones libres ganan suficiente energía y pueden superar la barrera de potencial generando una corriente eléctrica tal y como se observa en la Figura 8. Si la tensión aplicada aumenta continuamente, la región de agotamiento puede llegar a desaparecer [14][6][7][13]. Figura 8: Movimiento de electrones y huecos en un diodo Schottky con polarización directa. 3.1.3. Diodo Schottky en Polarización Inversa Cuando se aplica una tensión positiva en el lado del semiconductor respecto al lado del metal, se dice que el diodo Schottky tiene polarización inversa, como se muestra en la Figura 9. Es decir, en este caso el potencial externo se aplica en la misma dirección que el potencial de la unión. Una vez más, los niveles de Fermi no se van a alinear, pero la barrera para el movimiento de los electrones del semiconductor de tipo N al metal se vuelve más alta. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 21 Por lo que el flujo de electrones en este caso será ahora del metal al semiconductor y la barrera vendrá dada por la barrera Schottky ՓB. Figura 9: Unión Schottky en polarización inversa [12]. Dicho de otra forma, cuando se aplica un voltaje de polarización inversa, la anchura de la región de agotamiento aumenta y la corriente eléctrica disminuye en gran medida. Sin embargo, sí existirá una pequeña corriente generada por los electrones excitados térmicamente en el metal, que pueden adquirir suficiente energía para superar la barrera y pasar al semiconductor [7]. Si se aumenta el voltaje en polarización inversa, la barrera de potencial irá disminuyendo y la corriente eléctrica irá creciendo. En el caso en el que la tensión aplicada continúe aumentando, el campo eléctrico podrá alcanzar un valor crítico en el diodo Schottky, lo que provocará la aceleración de los portadores de carga, ya sean electrones o huecos, en la región de agotamiento. Esto da lugar a una a una avalancha de portadores de carga que se mueven a alta velocidad, creando una corriente significativa en el diodo Schottky, como se observa en la Figura 10. Este aumento repentino de corriente podrá dañar el diodo o los componentes conectados en el circuito, por lo que generalmente se considera una condición de operación no deseada en la mayoría de las aplicaciones. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 22 Figura 10: Movimiento de electrones y huecos en un diodo Schottky con polarización inversa. La corriente de polarización directa es, en orden de magnitud, mayor que la corriente de polarización inversa. Por ello la unión Schottky actúa como rectificador, ya que permite conducir con muy poca resistencia en directa pero no en inversa. La corriente de polarización directa será tres órdenes de magnitud mayor que la corriente en polarización inversa y el valor aumentará con el potencial aplicado. La Figura 11 muestra el comportamiento de la corriente frente a la tensión aplicada típico de un diodo Schottky. En dicha figura, la tensión umbral en régimen de directa es de 0,2 V (o 200 mV) [14][6][13]. Figura 11: Característica I-V de un diodo Schottky. Propiedad de rectificador [12]. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 23 3.2. APLICACIONES DEL DIODO SCHOTTKY Las características únicas de esta clase de diodos han permitido la realización de dispositivos y aplicaciones donde las prestaciones y el rendimiento de los diodos convencionales resulta inadecuado o insuficiente. Algunas de estas áreas de aplicación pueden ser [12]: • Mezclador RF, multiplicadores de frecuencia y diodo detector: gracias a la alta velocidadde conmutación, su uso en altas frecuencias y baja tensión de excitación y capacitancia. • Rectificador de potencia: gracias a su elevada densidad de corriente y pequeña caída de tensión en directa. Presenta menores pérdidas de potencia que la unión metal-semiconductor, lo que implica un aumento de la eficacia y conlleva una menor cantidad de calor disipado. • Circuitos OR de potencia: En estos tipos de circuito la carga se excitará por dos fuentes de potencia distintas. Para que se logre esto, ambas fuentes deben estar debidamente aisladas, consiguiendo que la potencia de una fuente no pueda entrar en la otra. En este tipo de aplicaciones es importante que cualquier tipo de caída de tensión a través de los circuitos sea la mínima, para asegurar la máxima eficiencia. Por lo tanto, el bajo voltaje que presentan estos tipos de diodos los hará ideales para esta aplicación, siendo importante ser cuidadosos a la hora de diseñar los circuitos debido a la alta fuga de corriente que presenta en inversa. • Aplicaciones de celdas solares: se conectan a baterías recargables y que necesitan la presencia de un diodo en serie para evitar el flujo de corriente de las baterías a las celdas. Cualquier tipo de caída de voltaje se traduciría en la pérdida de eficacia, por esta razón los diodos Schottky son idóneos. • Diodo de fijación, especialmente cuando se trata de usos en tecnologías LS (Low Supply o baja potencia de excitación) TTL (transistor- transistor logic o lógica transistor a transistor). Se mejora la velocidad de operación al usarse como interruptor. Los diodos de barrera Schottky se insertan entre el colector y la base del transistor principal, actuando de esta forma como soporte o fijación (Figura 12)[15]. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 24 Figura 12: Transistor NPN con diodo Schottky como fijación. 3.3. CARACTERIZACIÓN DEL DIODO SCHOTTKY El funcionamiento y relación tensión-corriente de los diodos Schottky son similares a los de un diodo convencional formado por la unión P-N, sin embargo, los fenómenos que tienen lugar en ambos dispositivos y que determinan su carácter rectificador son diferentes [16][4]. Un diodo Schottky vendrá dado a través de su curva característica I = f(Vd). Más específicamente su relación intensidad-voltaje vendrá determinada por la siguiente ecuación según Neamen [16]: 𝐼𝑑 = 𝐼𝑆(𝑒𝛼𝑉𝑑 − 1), donde α vendrá dado por: 𝛼 = 𝑞𝑒 𝑁 𝐾 𝑇 , siendo 𝐼𝑑 la intensidad del diodo, 𝐼𝑆 la corriente de saturación en inversa, 𝑉𝑑 la tensión eléctrica aplicada al diodo, 𝑞𝑒 la carga del electrón, N el factor de identidad del diodo, K la constante de Boltzman y T la temperatura absoluta. La expresión del diodo Schottky posee el mismo formato que los diodos convencionales, sin embargo, se puede encontrar una diferencia en la corriente de saturación en inversa, teniendo una expresión distinta ya que son generados por fenómenos físicos diferentes. En el diodo Schottky la 𝐼𝑆 se obtiene haciendo a lo largo del área, la integral de la densidad de corriente de saturación en inversa 𝐽𝑆, que según Neamen viene dada por la ecuación OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 25 𝐽𝑆 = 𝐴∗ 𝑇2𝑒( −𝑒𝛷𝐵𝑛 𝐾𝑇 ), siendo 𝛷𝐵𝑛 la barrera de potencial existente entre el metal y el semiconductor y 𝐴∗ la constante de Richardson. El resto de las variables vienen dadas por la ecuación anterior. A su vez la constante de Richardson vendrá dada por: 𝐴∗ = 4𝜋 𝑚𝑛 ∗ 𝑘2 ℎ3 , donde 𝑚𝑛 ∗ es la masa efectiva de los conductores mayoritarios del semiconductor (por ejemplo, los electrones en el caso de un semiconductor de tipo n) y h es la constante de Planck. La capacidad de la unión que predomina en polarización inversa vendrá dada por: 𝐶𝑗(𝑉) = 𝐶𝑗0 √(1 − 𝑉𝑑 𝛷𝐵𝑛 ) Siendo 𝐶𝑗0 la capacidad de la región de depleción para una polarización de cero. El resto de las variables vienen dadas en las ecuaciones anteriores. Partiendo de la ecuación del diodo, para determinar las curvas I-V utilizamos una fuente de corriente, en este caso corresponderán a los valores 𝐼𝑑 y mediremos los valores de tensión 𝑉𝑑 correspondientes. Esta tensión viene dada por la siguiente ecuación: 𝑉𝑑 = 𝐼𝑑 𝑅𝑠 + 1 𝛼 𝐿𝑛 ( 𝐼𝑑 𝐼𝑆 ), donde 𝑅𝑠 representa la resistencia parásita del diodo. Cuando el diodo posee un bajo nivel de polarización, la caída de tensión en la resistencia en serie 𝑅𝑠 será insignificante comparada con la caída de tensión en toda la zona de carga, lo que hace que el término Id sea tan pequeño que 𝐼𝑑 𝑅𝑠 pueda considerarse despreciable en la ecuación anterior, quedando 𝑉𝑑 como: 𝑉𝑑 = 1 𝛼 𝐿𝑛 ( 𝐼𝑑 𝐼𝑆 ) OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 26 Los valores de 𝐼𝑆 y n serán determinados mediante el uso de la ecuación anterior [17][18][19]. 3.4. FABRICACIÓN DE UN DIODO SCHOTTKY DE SILICIO EN UNA SALA BLANCA. En este apartado se va a hacer una descripción de los pasos que se seguirían en una sala blanca con el fin de obtener un diodo Schottky. En este caso las zonas N y P se emplean el boro como dopante aceptador (P) y el fósforo como dopante donador (N). PASO 1: MATERIAL DE PARTIDA Y CORTADO DE LA OBLEA El material de partida en este caso será una oblea de silicio de 100 mm de diámetro y con orientación cristalográfica <100> (Figura 13). Con ayuda de una herramienta con punta de diamante se procederá al corte de la oblea, hasta obtener un tamaño de unos 1,2 x 1,2 cm. Figura 13: Obleas de silicio <100>[20]. PASO 2: LIMPIEZA INICIAL DE LA OBLEA Durante el tiempo de almacenamiento y el proceso de corte, algunas partículas extrañas pueden haberse adherido a la superficie del silicio, que deben ser eliminadas a fin de que no interfieran en los procesos posteriores de fabricación. Para ello se bañan las muestras en disolventes orgánicos, usando en primer lugar acetona y más tarde isopropanol durante 10 minutos cada uno. Para mejorar la limpieza se utiliza una máquina de ultrasonido donde se introducen las muestras con los distintos disolventes. Tras el lavado con la acetona y el isopropanol se realiza una limpieza adicional durante 30 min con una mezcla de ácido sulfúrico (H2SO4) y peróxido de hidrógeno (H2O2) en una proporción de 3:1, comúnmente conocida como “piraña”. La mezcla de OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 27 estas sustancias produce una reacción que es altamente exotérmica y se debe realizar con extremo cuidado evitando salpicaduras. H2O2 + H2SO4 ⇌ H2SO5 + H2O Una vez terminada la limpieza con piraña se va neutralizando el ácido y limpiando la muestra con agua destilada y esta es secada haciendo incidir nitrógeno sobre la misma. PASO 3: ELIMINACIÓN DEL ÓXIDO DE SILICIO (RIE) Debido a la oxidación natural del silicio en ambientes con oxígeno, se crea de forma indeseada una película de óxido de silicio (SiO2) recubriendo la muestra, como puede verse en la Figura 14. Esta película hace de aislante, por lo que deberá ser eliminada para hacer más fácil la posterior difusión de los dopantes, comúnmente fósforo (P) y boro (B), a fin de crear las regiones tipo N y tipo P del diodo respectivamente. Figura 14: Capa de óxido de silicio sobre la oblea [21]. Para lograrlo se usa el grabado iónico reactivo (RIE, por el inglés Reacive Ion Etching) (Figura 15), que es una máquina de grabado mediante iones. El grabado mediante iones consiste en acelerar iones de moléculas y hacerlos impactar sobre un material, en este caso nuestra muestra de silicio, eliminando de esta forma la capa superficial deSiO2. En el caso de este diodo se hacen incidir iones de CF4 durante 60 segundos con una potencia de 100W y un flujo de 20 cm3/s, exponiendo de esta forma la superficie del silicio, permitiendo posteriormente la difusión de los dopantes. Figura 15: Limpieza de la muestra mediante el RIE [22]. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 28 PASO 4: ENMASCARADO Y DEPOSICIÓN Para este paso la muestra es dividida en dos con el fin de separar la región que será dopada con boro y la región que será dopada con fósforo. Para ello se enmascara la mitad de la muestra con una película que evite el contacto del silicio con el dopante en forma líquida. Como película puede usarse kapton, que es una cinta de poliamida. Tras adherir la película, se introduce la muestra en el Spin Coater y se añade en torno a 1 mL del primer dopante, que se compone de una solución de disolvente con boro (Figura 16). Una vez dentro del Spin Coater, la muestra se hace rotar rápidamente a 3000 rpm durante 30 segundos, consiguiendo de esta forma el reparto homogéneamente sobre la superficie expuesta de la muestra de silicio logrando una película uniforme. Después la máscara de kapton se retira, dejando expuesta una superficie del Si una con dopante y otra sin él. Figura 16: Deposición del boro en una muestra enmascarada [22]. Previo a la difusión del boro la muestra se deja reposar durante 20 min a 220ºC en una placa calefactora, conocida habitualmente por su denominación en inglés “hotplate” (Figura 17), para hacer que el disolvente se evapore y quede únicamente el dopante. Este paso también ayuda a iniciar el proceso de difusión del boro hacia el interior de la muestra Figura 17: Placa calefactora o hotplate [23]. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 29 PASO 5: DIFUSIÓN DEL BORO (ZONA P) Para la difusión del boro se introducen dos muestras, una encima de la otra, como se muestra en la Figura 18, de forma que las zonas dopadas contacten entre sí en un tubo de cuarzo, esta disposición permite garantizar que el flujo de dopantes se haga principalmente hacia el silicio y no tanto hacia el aire. Figura 18: Colocación de las dos muestras y muestra dentro del horno [22]. Una vez colocadas las muestras en el tubo de cuarzo, este se introduce en el horno (Figura 18) con un programa determinado de temperatura, tiempo, flujo de gases y presión, en este caso un flujo de argón (Ar) continuo de 200 cm3/s y una presión de 700 torr. La temperatura sube desde temperatura ambiente hasta 1050ºC durante 30 min y se mantiene a esa temperatura durante 90 min. Posteriormente se somete al diodo a un enfriamiento lento (de unos 40 min) en el mismo horno hasta llegar a 450ºC, para ser retirado entonces del mismo donde el enfriamiento pasará a ser mucho más rápido. Durante este proceso, los átomos de boro penetran en el silicio y se difunden. En base a la temperatura empleada y el tipo de dopante se puede extraer un coeficiente de difusión de 3x10-14 cm2/s, la penetración estimada se puede obtener en base a este coeficiente y el tiempo como: 𝑙 = √𝐷𝑡 = 13 𝜇𝑚 PASO 6: DIFUSIÓN DEL FÓSFORO (ZONA N) Los pasos siguientes para obtener la difusión con fósforo son análogos a los pasos anteriormente explicados para el boro en la región tipo P: Primero se elimina la posible capa de SiO2 que haya podido aparecer durante el enfriamiento de la muestra tras la difusión del boro, recurriendo de nuevo para ellos al grabado mediante iones con CF4 en las mismas condiciones que anteriormente. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 30 Después se vuelve a enmascarar la muestra con kapton (Figura 19), teniendo cuidado de enmascarar la región que ya ha sido dopada con boro. Una vez enmascarada la muestra se aplica una disolución de disolvente y fósforo en la región expuesta del silicio que aún no se encuentra dopada. Con el uso de una máquina de recubrimiento por rotación, en inglés conocida por Spin Coater (Figura 19) se distribuye el dopante en la muestra, con las mismas condiciones anteriormente vistas. Figura 19: Cinta de Kapton y Spin Coater [24]. El disolvente se evapora dejando depositar la muestra durante 20 min en el hotplate a una temperatura de 220ºC. Dado que el coeficiente de difusión es similar al boro, la difusión del fósforo será análoga a la descrita en el paso 5. PASO 7: LIMPIEZA FINAL Una vez llevado a cabo ambas difusiones se realiza una limpieza a nuestro diodo con piraña (Figura 20) durante 30 minutos, al igual que se realizó al inicio del proceso. Figura 20: Fórmula química de la piraña. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 31 El resultado final dará lugar a una muestra de silicio en la que en su superficie de distinguirán dos zonas, una tipo P (B) y otra tipo N (P). PASO 8: CARACTERIZACIÓN Figura 21: Jandel Universal Probe Station [25]. Un paso natural tras la fabricación del dispositivo es la comprobación de su funcionamiento y la caracterización de sus propiedades eléctricas. Para ello se suele emplear una estación de 4 puntas (Figura 21) y un analizador de semiconductores. La estación manual de 4 puntas permite contactar la muestra, mientras que el analizador se encarga de aplicar y medir simultáneamente las tensiones y corrientes para evaluar el funcionamiento del dispositivo. La curva I-V del diodo se obtiene variando la diferencia de tensión entre el ánodo y el cátodo, y midiendo simultáneamente la corriente en cada punto [21][22]. 4. ANTECEDENTES TEÓRICOS Como hemos visto, este trabajo se basa en un experimento desarrollado por T. Ekkens [22], cuyo objetivo es desarrollar un diodo Schottky de forma no convencional, con materiales fácilmente disponibles en cualquier hogar1, asequible, y sin la necesidad de una sala blanca, expuesto con anterioridad. Para ello se necesitan los siguientes materiales: • Láminas de oro de 22K y papel de aluminio. • Obleas de Silicio tanto de tipo N como de tipo P. 1 La mayoría de los materiales empleados pueden considerarse de uso cotidiano, excepto las obleas de Silicio dopado, las cuales pueden adquirirse fácilmente en tiendas on-line. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 32 • Bombilla halógena de 500W. El primer paso del proceso de fabricación consiste en cortar la oblea en rectángulos de unos 7 mm de ancho por unos 20 mm de largo, de tal forma que se pueda manipular fácilmente. El segundo paso consiste en posicionar, sobre la parte pulida de la oblea, sendos trozos aluminio y oro, cortados con una geometría aproximadamente cuadrada de 5 mm de lado. Es de crucial importancia que los dos metales no estén en contacto. Con ayuda de unas pinzas se presionarán sobre las obleas tanto como sea posible. Después, se busca que las láminas de metales se adhieran a la superficie de la oblea, de tal forma que exista cierta difusión atómica que forme la “aleación” silicio- metal que conferirá las propiedades de la interfaz Schottky. Para ello se “hornea” la lámina sobre la oblea empleando para ello la bombilla halógena de 500W. La forma de proceder consiste en orientar la lámpara de tal forma que apunte hacia arriba, y la oblea de Si y se coloca con ayuda de unas pinzas directamente encima de la bombilla halógena. La lámpara se conecta durante 60 segundos, y acto seguido se deja enfriar para posteriormente retirar la oblea de la bombilla. En esos 60 segundos la temperatura que alcanza esta se sitúa entre unos 400-440ºC, siendo esta la temperatura mínima a la cual el aluminio empieza a adherirse,debido al proceso de difusión atómica de estos metales hacia el silicio. En las condiciones descritas, el oro se adhiere fuertemente a la oblea, mientras que para alcanzar un grado de adherencia similar con el aluminio se precisa una segunda cocción. 4.1. PROBLEMAS OBSERVADOS DURANTE EL MONTAJE EXPERIMENTAL Parte del objetivo de este trabajo es partir de este método de fabricación y emplear otro en el que se superen estos inconvenientes, y del que se obtenga la descripción de una rutina para la fabricación de diodos, al ser posible con mejores características de rectificación. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 33 Si bien los principios básicos del experimento, y los pasos a seguir son simples, en la práctica del experimento con la lámpara halógena, rápidamente salen a la luz diversos inconvenientes que dificultan la fabricación de los diodos: • Dificultad a la hora de depositar y recoger la pieza de Silicio cortado en que se fabrica el diodo en el elemento calefactor -la bombilla halógena-, ya que al ser esta circular la superficie en la que se deposita es mínima, y la estabilidad es muy reducida. Si el silicio se cae a la hora de recogerlo o colocarlo, pueden generarse grietas en el semiconductor impidiendo su funcionamiento, lo cual no se sabría hasta que se intentara realizar la medida de la curva I-V con el osciloscopio. Este inconveniente supone pérdidas económicas, de tiempo y material. • Al realizarse el calentamiento de la oblea de forma tan directa se pudo observar que, durante el proceso de difusión, el aluminio soltaba gases que no convienen ser inhalados. Por esto, es recomendable llevar a cabo el proceso en un lugar ventilado y usando mascarillas. • En muchas ocasiones no se consigue hacer la adhesión del aluminio con un único recocido. • Al tratarse la fuente de calor una lámpara halógena, la bombilla se encuentra dentro de una cavidad, por lo que la estructura de esta puede llegar a alcanzar temperaturas muy elevadas (en 60 segundos se llegan a más de 400ºC), existiendo por lo tanto un riesgo de sufrir quemaduras a la hora de retirar el diodo de la bombilla si no se ha esperado lo suficiente para que este vuelva a temperatura ambiente. • Dificultad a la hora de intentar colocar el oro en el semiconductor, ya que, al ayudarse con unas pinzas para presionarlo y dejarlo depositado, es fácil rayarlo, dejando inutilizable el semiconductor y de la misma forma que antes, no se podría saber que este no funciona hasta que no se haya acabado de realizar todo el proceso y se proceda a la medida de la curva I-V. De la misma forma, esto traería consigo gasto tanto de material, como de tiempo y recursos económicos. • Únicamente se podrá realizar un máximo 1 diodo en el mismo proceso de recocido, como consecuencia de la falta de espacio, ya que la OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 34 superficie de apoyo es una bombilla que no ofrece buena estabilidad para colocar más diodos sobre ella. • A la hora de medir la curva I-V con el osciloscopio es fácil rayar el oro con los cables, tal y como se muestra en la Figura 22. Figura 22: Oro deteriorado tras realizar la medida de la curva I-V. 5. OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN Como hemos visto, el objetivo de este proyecto es poder desarrollar diodos Schottky de forma no convencional, asequible para todo el mundo y sin necesidad de disponer de un equipo costoso y altamente especializado como el que se encuentra en las salas blancas (visto en el punto anterior), de forma que pueda ser reproducible en una universidad como una práctica de campo o como forma de divulgar en este caso, la carrera de ingeniería de materiales y poder enseñarles a los alumnos de forma práctica algunos de los aspectos y procesos estudiados durante la titulación. Para esto, vamos a realizar una serie de modificaciones al experimento inicial, haciendo que de esta forma que sea más sencillo de realizar, con menos peligros asociado a cada operación y más práctico. El objetivo final es obtener un nuevo protocolo para la fabricación de diodos Schottky en las mismas condiciones de asequibilidad con respecto al experimento original, pero empleando un equipamiento que favorezca la reducción de las dificultades descritas. 5.1. PROPUESTAS DE MEJORAS RESPECTO AL MONTAJE EXPERIMENTAL Para intentar solucionar los problemas originados a partir del uso de la lámpara halógena como fuente de calor, hemos decidido sustituirla por una placa de cocina de 2000W. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 35 Al hacer esto, es más sencillo colocar el silicio sobre la placa, ya que gracias a la planitud de su superficie se evitan las caídas y las roturas de las porciones de silicio que suceden en el trabajo con la lámpara debido a su forma cilíndrica. Además, resulta mucho más complicado quemarse, ya que la temperatura se alcanza de forma mucho más gradual que en el caso anterior. Otra ventaja, es que la vitrocerámica permite graduar el intervalo de temperaturas que queremos alcanzar. Al llegar a la temperatura máxima seleccionada, la vitrocerámica se apaga, permitiendo que la temperatura disminuya unos grados, tras lo cual vuelve a encenderse hasta alcanzar la temperatura máxima de nuevo. Mediante el control de temperatura, se ha comprobado que el aluminio no suelta gases durante el proceso de difusión. Con el propósito de evitar dañar la porción de oblea durante la aplicación del oro utilizando pinzas, se han evaluado diversas técnicas. Se probó a presionar la lámina de oro usando guantes de plástico (vinilo) o bastoncillos, consiguiendo de esta forma que el diodo no se rayara. La mayor parte del tiempo, este no se adhería al diodo en el primer intento y con frecuencia se quedaba pegado a la superficie o de los guantes o del bastoncillo, perdiendo de esta forma material, ya que no es recuperable. Como solución final, con el fin de evitar tanto que el diodo se rayara como la pérdida de material, el procedimiento que ha demostrado ser más efectivo es realizar presión con papel seda, en nuestro caso, el mismo papel donde se suministran láminas de pan de oro. De esta forma, el oro queda adherido a la superficie del semiconductor directamente en el primer intento en todas las pruebas realizadas sin importar la cantidad de oro que queramos colocar, a la vez que se evita dañarla superficie de las porciones de oblea. Uno de los principales problemas a la hora de usar la placa de cocina, fue la incapacidad de adherir el aluminio a la oblea de silicio, ya gran parte del calor generado por la placa se disipaba en el ambiente y no incidía de forma directa sobre esta. Una de las soluciones ideadas para concentrar una mayor parte del calor en el bloque semiconductor y en el aluminio con el fin de asegurar su adhesión fue, con la ayuda de aluminio, limitar la pérdida de calor, creando una frontera superior reflectora que va a situada por encima del diodo a unos 4-5cm como se observa en la Figura 23, evitando de esta forma el contacto con la placa (ya que, si la placa se encuentra en contacto con la cúpula de aluminio, las temperaturas que se alcanzarían serían tan elevadas que el aluminio podría fundirse y quedarse pegado sobre la placa). De esta forma parte del calor generado será, bien absorbido por el bloque de silicio, o bien reflectado de vuelta OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 36 entre el espacio de la placa vitrocerámica y la cúpula reflectora. De esta manera aseguramos además que parte de la radiación incide por la parte superior del diodo y a la vez directamentesobre el aluminio. Este montaje consigue que ambos materiales se adhieran y se produzca la difusión del aluminio sobre la oblea de silicio. Para suspender la cúpula de aluminio sobre el diodo se ayuda de dos gatos y un alambre. Es importante tener en cuenta que para que se consiga la adhesión el aluminio debe encontrarse lo más pegado de manera posible al silicio, por lo que es importante aplanar lo máximo posible la porción de aluminio. Figura 23: Cúpula de aluminio que ayuda a reflejar el calor al diodo. A parte de lo ya expuesto cabe destacar otro punto a favor del uso de la vitro cerámica frente a la lámpara halógena es que permite realizar varios diodos a la vez, tantos como semiconductores entren debajo de la cúpula de aluminio. Por lo que de esta forma se optimiza el uso del tiempo y energía. Expuesto lo anterior, para realizar nuestros diodos, se van a necesitar los siguientes materiales: • Pinzas con resorte • Alcohol • Papel de seda • Pan de oro • Papel de aluminio • Vitrocerámica de 2000W • Obleas de tipo P y tipo N • Dos sargentos mono-manuales • Un alambre OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 37 • Dos pinzas de resorte o abrazaderas • Un cúter • Una mascarilla • Guantes de plástico • Pinzas • Termómetro infrarrojo 6. MEDIDA DE LAS CURVAS I-V. MONTAJE MYDAQ En este apartado se van a describir las herramientas empleadas para la medida y caracterización de las curvas I-V de los diodos Schottky que se presentan en las siguientes secciones. Con este propósito, se ha usado un dispositivo MyDAQ acompañado por un software específico para la medida y caracterización de distintos dispositivos diseñado por la USAL. SOFTWARE DISEÑADO POR LA USAL (USALmyDAQv1.1) Para poder utilizar el MyDAQ en el ordenador se ha procedido a la instalación del controlador NI-ElVISmx que incluye un conjunto de instrumentos de software y los drivers para el uso del MyDAQ. Una vez instalado, el ordenador reconocerá el dispositivo. No se usarán ninguno de los instrumentos virtuales (osciloscopio, multímetro digital, generador de funciones, etc.) que aparecen al abrir el ELVISmx Instrument Launcher. En su lugar se usará el programa diseñado por la USAL USALmyDAQv1.1, osciloscopio diseñado especialmente para la medición de curvas I-V (Figura 24) dentro del Proyecto de Innovación Docente ID2022/217 dirigido por Raúl Rengel Estévez e Ignacio Íñiguez de la Torre Mulas: "CREACIÓN DE HARDWARE Y SOFTWARE PROPIOS PARA LA EXTENSIÓN DE LAS CAPACIDADES DE LABORATORIOS PORTÁTILES UNIPERSONALES" [26]. . OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 38 Figura 24: Interfaz software USAL. En primer lugar, se debe indicar al programa que el tipo de medida a realizar se desea llevar a cabo es una medida de curvas corriente-voltaje en diodos. Para ello se elige la opción en el apartado de selección de la medida a realizar el apartado “I-V Diodo”. Una vez seleccionado que se quiere medir las curvas I-V de un diodo se procede a indicarle al programa el valor de la resistencia que se va a usar. En este caso se le indica que el valor de la resistencia que se está usando es de 100 Ω. Ese dato se seleccionará en el apartado de “Valor de R (Ohm)”. Por último, se indica cual es el rango de VDD que se quiere medir, se precisará tanto el valor mínimo como el valor máximo. También es necesario indicar el número de pasos, este caso, se dejará el valor predeterminado. Esto podrá modificarse en el apartado de “Selección de parámetros”. Una vez introducidos los valores y conectado el diodo al MyDAQ se puede proceder a ejecutar la instrucción de medir como se ve en la Figura 25. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 39 Figura 25: Medir valores. En el apartado de “Consola” empezarán a aparecer los valores de Vpn e ID que se irán obteniendo con nuestro diodo, tal y como aparece en la Figura 26. Los valores se tomarán en todo el rango de VDD que hayamos indicado anteriormente. Figura 26: Valores de medida VDD, Vpn e ID. Una vez finalizada la medida le indicaremos que nos dibuje la gráfica obtenida (Figura 27). Figura 27: Medida curva I-V. Obteniendo de esta forma la curva I-V de nuestro diodo. Que podremos guardar en nuestro ordenador, dando al botón de abajo a la derecha (Figura 28). OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 40 Figura 28: Curva I-V obtenida. La aplicación nos da la posibilidad también de guardar los datos de VDD, Vpn e Id en una hoja de cálculo, para ello se pondrá un nombre al archivo en el apartado de Referencia de dispositivo y se le dará al botón Guardar (Figura 29). Figura 29: Guardar datos. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 41 MONTAJE CON EL MYDAQ Una vez que se ha obtenido el diodo, se ha procedido al montaje con un MyDAQ de un dispositivo de medida de curvas I-V. Para evitar rayar el oro del diodo a la hora de usar los cables, nos hemos ayudado de unas pinzas, con las que los sujetaremos y así evitaremos levantar el oro, estropeando el diodo en la última parte del proceso. Para facilitar la visualización del montaje físico del MyDAQ se ha procedido al diseño del circuito utilizado en Multisim, como se puede ver en la Figura 30. Siendo R1 la resistencia de 100 Ω utilizada y D1 el diodo Schottky que se quiere medir. Figura 30: Diseño del circuito en Multisim. La resistencia ha sido alimentada con 5V y conectada en serie con el diodo. El diodo a su vez ha sido conectado a tierra. La entrada 0+ corresponde a una de las conexiones del osciloscopio y ha sido conectada a la resistencia, la otra conexión del osciloscopio corresponde a la entrada 1+ que como no va a ser utilizada hay que conectarla a tierra. Una vez realizado este montaje se conectará el MyDAQ al ordenador. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 42 6.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PARA LA DEFINICIÓN DEL PROTOCOLO DE FABRICACIÓN En este apartado se relata el proceso experimental que se ha llevado a cabo con el fin de optimizar el proceso de fabricación de los diodos Schottky de forma que sus características (forma de la curva en activa y en inversa) sean las mejores posibles dadas las restricciones en cuanto a los recursos disponibles. En cada una de las pruebas realizadas se han fabricado entre 4-5 diodos de cada tipo. Como parámetros principales se estudiarán: la temperatura que va a alcanzar la vitrocerámica para realizar los diodos, el número de recocidos que van a necesitar el oro y el aluminio y el tiempo que van a “hornearse”. Por ello, primero se buscará determinar el tiempo mínimo que necesita el aluminio para adherirse al silicio y el tiempo mínimo que necesita el oro para difundir y después se determinará el número de recocidos que dan un mejor diodo. PRIMERA ITERACIÓN En esta prueba se utiliza un semiconductor tipo N. Se realizaron varias pruebas a distintos tiempos y temperaturas, hasta obtener el primer diodo funcional, que será el descrito en esta primera prueba. El objetivo de esta primera prueba es determinar el tiempo mínimo en el cual el aluminio se adhiere al semiconductor, interesa conocer el tiempo del aluminio (siendo fácil de determinar visualmente, ya que presentará un cambio notable en el brillo que presentaba antes de realizar la adhesión), por ser el que más problemas da, necesitando a veces, dobles recocidos para conseguir una buena adhesión y que no se levante durante la medida de la curva I-V,ya que se separa fácilmente ante fuerzas mecánicas débiles y, además, este necesita más tiempo para difundirse que el oro, ya que como hemos visto el tiempo de adhesión es mayor. La razón por la que este último no presenta tantos problemas para adhesionarse al silicio es porque al presionarlo con el papel de seda ya queda prácticamente adherido al semiconductor por la acción de fuerzas electrostáticas. Por lo que en resumen lo que se busca es determinar la temperatura necesaria para asegurar una correcta adhesión mecánica y una difusión que asegure las propiedades del contacto. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 43 También se quiere observar con esta prueba y la siguiente, si colocar el aluminio por el lado brillante o por el lado no brillante afecta a la curva I-V final. Durante el uso de la vitrocerámica se observó problemas relacionados con la pérdida de calor de esta, dificultando en gran medida la adhesión del aluminio, como solución se procedió a colocar una cúpula de aluminio sobre el silicio y a cierta distancia de la placa, para solucionar la mayor parte de los problemas que involucran al aluminio y poder llevar a cabo la fabricación del de estos diodos, como requisito imprescindible. El proceso general para la fabricación de diodos Schottky empleando los materiales descritos en el apartado 6, se detalla a continuación. Conviene destacar que este proceso cuenta con diversas variaciones posibles en cuanto al número de recocidos, la duración de los mismos, entre otros y orientación de la lámina de aluminio. • Primero se procede a su limpieza con ayuda de alcohol, para retirar de esta forma cualquier partícula adherida al silicio. • Después, con ayuda de unas pinzas, un cúter y una mascarilla se procede a cortar el oro. Las pinzas ayudan a levantar el oro y colocarlo en el semiconductor, con el cúter cortamos trozos de oro de unos 5mm x 5mm y con ayuda de la mascarilla evitamos respirar encima de la muestra de oro, ya que el vapor del aliento dificulta su manejo o incluso pequeñas corrientes de aire pueden provocar que salga volando. Una vez cortado el oro se coloca en el semiconductor, que será presionado con papel de seda. • Con ayuda de un cúter y una regla cortamos un trozo de aluminio más o menos del mismo tamaño que el del oro. Es necesario que la lámina aluminio se encuentre lo más plana posible para que, a la hora de hacerle el recocido, toda su área se encuentre en contacto con el semiconductor, permitiendo así su difusión activada térmicamente y no surja ningún problema relacionado con la ausencia de contacto. En esta primera prueba el aluminio se ha colocado en el semiconductor sobre el lado no brillante. • Cuando el oro y el aluminio se encuentran colocados sobre el semiconductor, lo más cerca posible entre ellos (esto es realizado de OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 44 forma visual), pero sin tocarse aproximadamente 1 milímetro de distancia, se sitúa sobre la vitrocerámica y se coloca la cúpula de aluminio sobre el semiconductor a unos 4 cm de la placa. • Se enciende la vitrocerámica en el nivel más bajo y se observa con ayuda del termómetro que los 400ºC los empiezan a alcanzar al minuto y medio. Esta temperatura corresponde a la temperatura que se alcanzaba con la lámpara halógena en un minuto, y a partir de la cual el aluminio se adhería y tanto el aluminio como el oro comienzan el proceso de difusión atómica hacia el silicio. • A los cinco minutos el aluminio y el oro se encuentran adheridos totalmente al semiconductor, esto se ha determinado de forma visual, ya que en el caso del aluminio es un fenómeno muy fácil de apreciar. La temperatura máxima alcanzada durante este proceso con la vitrocerámica ha sido entre 500ºC y 600ºC. • Una vez pasados los 5 minutos se apaga la vitrocerámica y el diodo se deja enfriar a temperatura ambiente. El diodo resultante es el que puede verse en la Figura 31 (a): Figura 31: a) Diodo Schottky tipo n, 1 recocido de 5 min y Al lado no brillante b) Diodo Schottky tipo N, 1 recocido de 5 min y Al lado brillante c) Diodo Schottky tipo N, 1 recocido de 10 min d) Diodo Schottky tipo N, 1 recocido al aluminio y 2 recocidos al oro e) Diodo Schottky tipo N, 2 recocidos al aluminio y 1 recocido al oro f) Diodo Schottky tipo P, 1 recocido de 5 min g) Diodo Schottky tipo P, 1 recocido de 10 min h) Diodo Schottky tipo P, 1 recocido al aluminio y 2 recocidos al oro i) Diodo Schottky tipo P, 2 recocidos al aluminio y 1 recocido al oro. OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 45 Durante esta primera prueba se ha colocado el aluminio sobre el lado que no presenta pulido dado lugar a la curva I-V observable en la Figura 32, que ha sido medida con el MyDAQ. Figura 32: Curva I-V de un diodo Schottky tipo N, con un recocido de 5 min y Al lado no brillante. En la gráfica anterior, se puede observar que a partir de VDD = -2 V presenta conductividad en inversa. Los diodos Schottky ideales que estamos intentando conseguir no presentarían nada de conducción en negativo. SEGUNDA ITERACIÓN Esta prueba será similar a la anterior. Se usará un semiconductor de tipo N. La preparación del silicio y montaje de la muestra se realizará de la misma forma que se ha descrito en la primera prueba, pero en este caso el aluminio se depositó con el lado brillante en contacto con el fragmento de oblea. El diodo obtenido se muestra en la Figura 31 (b). Una vez obtenido el diodo se procede a la medición de sus curvas I-V obtenidas con el MyDAQ (Figura 33): -4 -2 0 2 4 6 8 10 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 I D (m A ) VDD (V) OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 46 Figura 33: Curva I-V de un diodo Schottky tipo N con un recocido de 5 min y Al lado brillante. Como se puede observar, en esta gráfica la conducción en inversa es apreciable a partir de -1V, presentando para tensiones mayores un comportamiento rectificador. Al comparar esta prueba con la anterior (Figura 34), podemos determinar que las gráficas son similares, con unas diferencias poco significativas. Sin embargo, en las siguientes pruebas realizadas se optó por colocar el aluminio por el lado no brillante, ya que el diodo resultante de esta configuración presenta una pendiente de la corriente en directa sensiblemente mayor, asociada a una menor resistencia, y mayor en inversa, ya que no hay conducción hasta -2V. En base a esto, las siguientes pruebas que se harán serán para intentar mejorar el comportamiento del diodo Schottky en inversa (es decir, disminuir los valores de corriente en este rango de voltajes), a través del número de recocidos del Al y Au y del tiempo de recocidos de ambos. Figura 34: Superposición de las curvas de 5 min de recocido. -4 -2 0 2 4 6 8 10 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 I D (m A ) VDD (V) OPTIMIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN NO CONVENCIONAL Y ASEQUIBLE DE DIODOS SCHOTTKY 47 TERCERA ITERACIÓN El objetivo de esta tercera prueba es realizar un diodo de tipo P con un recocido de 5 minutos tanto para el aluminio como para el oro, con el fin de ver cómo es la curva I-V para el tiempo mínimo que el aluminio necesita para adherirse. Realizamos el montaje de la muestra igual que en los casos anteriores, pero en este caso usando una oblea tipo P. El diodo obtenido será el que puede verse en la Figura 31 (f). Una vez obtenido el diodo procedemos a medir su curva I-V, obteniendo lo que puede observarse en la Figura 35. Figura 35: Curva I-V de un diodo Schottky tipo P con un recocido de 5 min. En la curva anterior,
