Μελέτη Ηλεκτρικών Ιδιοτήτων Νανοδοµηµένων ιηλεκτρικών: i) SiN ii) Νανοκρυσταλλικό ιαµάντι

Transcript

1 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών Μελέτη Ηλεκτρικών Ιδιοτήτων Νανοδοµηµένων ιηλεκτρικών: i) SiN ii) Νανοκρυσταλλικό ιαµάντι Χρήστος Λιούτας Τριµελής Επιτροπή Καθ. Παπαϊωάννου Γ., Τµ. Φυσικής, ΕΚΠΑ Αν. Καθ. Γαρδέλης Σ., Τµ. Φυσικής ΕΚΠΑ Επ. Καθ. Κυρίτσης Α., ΣΕΜΦΕ, ΕΜΠ 10 Φεβρουαρίου 2017

2 Περιγραφή Προβλήµατος Απεικόνιση RF MEMS Capacitive Switch σε up-state και down-state. Η ϕόρτιση-εκφόρτιση του διηλεκτρικού επηρεάζει την λειτουργία του διακόπτη.

3 Περιγραφή οµής ειγµάτων Σχηµατική Απεικόνιση Πυκνωτών ΜΙΜ Πυκνωτές ΜΙΜ µε nanorod Au Εικόνα ιάταξης από SEM

4 Πειραµατικές Μετρήσεις Density 1 Density 2 Density 3 Density 4 Diameter (D) nm nm nm nm Step ( ) 1 um 2.5 um 5 um 10 um I-V χαρακτηριστικές για πεδία ως 1 MV/cm CCT µε πόλωση 800 kv/cm C-V χαρακτηριστικές

5 Μοντελοποίηση Προτεινόµενο Μοντέλο Πυκνωτή ΜΙΜ C MIM = ε H J MIM = I BE+I NR 2 [1 + πd2 4 2 ( H h 1)] = J BE + πd2 4 2 (J NR J BE ) Υπολογισµός έντασης ηλεκτρικού πεδίου για την γεωµετρία της διάταξης µε χρήση FEM

6 Αποτελέσµατα Εξάρτηση πυκνότητας ϱεύµατος από το εφαρµοζόµενο ηλεκτρικό πεδίο Charging-Discharging Current Transients (CCT-DCT)

7 Αποτελέσµατα Χωρητικότητα ανά µονάδα επιφανείας συναρτήσει του αντιστρόφου της επιφάνειας κυψέλης Πυκνότητα ϱεύµατος συναρτήσει του αντιστρόφου της επιφάνειας κυψέλης

8 Αποτελέσµατα Σύγκριση των αποτελεσµάτων προσοµοίωσης για την κατακόρυφη συνιστώσα της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην διεπιφάνεια διηλεκτρικού-πάνω ηλεκτροδίου του πυκνωτή ΜΙΜ, για nanorod Au διαµέτρων 150 nm και 500 nm, όπως υπολογίστηκε µε FEM

9 Συµπεράσµατα Το απλοποιηµένο µοντέλο, το οποίο δεν λαµβάνει υπόψη το fringing field, χρησιµοποιήθηκε για τον υπολογισµό των ηλεκτρικών ιδιοτήτων (DC και χαµηλών συχνοτήτων) των πυκνωτών ΜΙΜ (και κατ επέκταση του down-state των διακοπτών MEMS) και έρχεται σε εξαιρετική συµφωνία µε τα πειραµατικά δεδοµένα. Η κατανοµή και οι διαστάσεις των nanorod Au καθορίζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες των διατάξεων. ιατάξεις µε nanorod Au µεγάλης διαµέτρου εµφανίζουν υψηλότερα ϱεύµατα διαρροής, µεγαλύτερη χωρητικότητα, µικρότερους χρόνους εκφόρτισης αλλά και εντονότερη ϕόρτιση του διηλεκτρικού. Η µοντελοποίηση της δοµής µε χρήση FEM αποκαλύπτει την επίδραση του fringing field στο συνολικό ηλεκτρικό πεδίο στην διεπιφάνεια διηλεκτρικού-πάνω ηλεκτροδίου, ως συνάρτηση της διαµέτρου και της πυκνότητας των nanorod Au.

10 ηµοσιεύσεις L. Michalas, S. Xavier, M. Koutsoureli, S. Bansropun, G. Papaioannou and A. Ziaei, C. Lioutas, "Electrical Properties of Nanostructured Silicon Nitride for RF MEMS Capacitive Switches", MEMSWAVE 2015, "Fabrication, Processes, Materials and Packaging" Session M. Koutsoureli, S. Xavier, L. Michalas, C. Lioutas, S. Bansropun, G. Papaioannou and A. Ziaei, "Electrical properties of nanostructured SiN films for MEMS capacitive switches", J. Micromech. Microeng

11 Θεωρητική Προσέγγιση Μελέτη ενδογενούς ϑορύβου σε πυκνωτές ΜΙΜ µε διηλεκτρικό υµένιο νανοκρυσταλλικού διαµαντιού. Είδη ενδογενούς ϑορύβου: Johnson noise (Θερµικός ϑόρυβος) Shot noise (Θόρυβος ϐολής) 1/f noise or Flicker noise or Pink noise Στόχος της µελέτης είναι ο συσχετισµός των χαρακτηριστικών του 1/f ϑορύβου µε µηχανισµούς αγωγιµότητας εντός του διηλεκτρικού και συνεπώς ο χαρακτηρισµός των σχετικών διατάξεων.

12 Περιγραφή οµής ειγµάτων Εικόνα SEM των film Εικόνα µικροσκοπίου πυκνωτή ΜΙΜ Επιφάνεια Επαφής (um 2 ) Πάχος διηλεκτρικού (nm) 450 x , 350, 600, 750, 800

13 Πειραµατικές Μετρήσεις - Επεξεργασία εδοµένων Εξέταση ϱεύµατος που διαρρέει τον πυκνωτή ΜΙΜ σε steady-state. Fluctuations στην τιµή του ϱεύµατος εµφανίζουν γραµµική εξάρτηση της ϕασµατικής πυκνότητας ισχύος (Power Spectral Denstiy - PSD) µε την συχνότητα σε λογαριθµική κλίµακα, χαρακτηριστικό του 1/f noise. Λήψη µετρήσεων CCT για τον προσδιορισµό του steady-state για κάθε δείγµα, ανά ϑερµοκρασία και πόλωση Λήψη µετρήσεων PSD για κάθε δείγµα, για συγκεκριµένο εύρος συχνοτήτων, ϑερµοκρασιών και εφαρµοζόµενων πεδίων S(f ) f α, µε α 1

14 SiN Αποτελέσµατα Εξάρτηση του 1/f noise από το εφαρµοζόµενο πεδίο και την ϑερµοκρασία.

15 SiN Αποτελέσµατα Εξάρτηση του 1/f noise από το πάχος του υµενίου CCT µέτρηση για διαφορετικά εφαρµοζόµενα πεδία

16 SiN Αποτελέσµατα Εφαρµογή fitting στα δεδοµένα για την επιβεβαίωση εµφάνισης 1/f noise

17 Συµπεράσµατα Επιβεβαίωση ύπαρξης 1/f noise σε δείγµατα µε διηλεκτρικό υµένιο. Εξάρτηση του 1/f noise στα δείγµατα από το πάχος του διηλεκτρικού, την ένταση του εφαρµοζόµενου πεδίου και την ϑερµοκρασία. Εµφάνιση του 1/f noise µέχρι σχετικά υψηλές συχνότητες της τάξης των 100 khz. Πιθανή επίδραση του 1/f noise στη λειτουργία των διατάξεων µε διηλεκτρικό υµένιο, που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τον σχεδιασµό τους.

18 Εξέλιξη ιατριβής Αναλυτική µελέτη του 1/f noise στο : για όλα τα διαθέσιµα πάχη διηλεκτρικού σε χαµηλότερες ϑερµοκρασίες για την µείωση του ϑερµικού ϑορύβου για ισχυρότερα εφαρµοζόµενα πεδία χαρακτηρισµός διατάξεων µέσω αναγνώρισης µηχανισµών αγωγιµότητας εντός του διηλεκτρικού υµενίου και επί των διεπιφανειών Μελέτη αγωγιµότητας Fowler-Nordheim σε RF MEMS Capacitive Switches µέσω αρµονικών.

19 Τέλος Παρουσίασης Ευχαριστώ για την προσοχή σας