Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων νιτριδίου του πυριτίου (SiNx) εμπλουτισμένου με νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) για εφαρμογές σε διατάξεις RF-MEMS

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων νιτριδίου του πυριτίου (SiNx) εμπλουτισμένου με νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) για εφαρμογές σε διατάξεις RF-MEMS"

Πολύμνια Ράγκος
6 χρόνια πριν
Προβολές:

Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων νιτριδίου του πυριτίου (SiNx) εμπλουτισμένου με νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) για

1 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων νιτριδίου του πυριτίου (SiNx) εμπλουτισμένου με νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) για εφαρμογές σε διατάξεις RF-MEMS Μπιρμπιλιώτης Δημήτριος Τριμελής Επιτροπή Καθηγητής Γ. Παπαϊωάννου, Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ Αναπλ. Καθηγητής Σπ. Γαρδέλης, Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ Αναπλ. Καθηγητής Απ. Κυρίτσης, ΣΕΜΦΕ ΕΜΠ Ημερίδα Υποψήφιων Διδακτόρων 9/2/2018

2 Χωρητικοί Διακόπτες RF-MEMS Πόλωση του Διηλεκτρικού Μετατόπιση της C-V χαρακτηριστικής Αύξηση της ελάχιστης χωρητικότητας Μείωση του λόγου C DOWN /C up Συγκόλληση οπλισμών Καταστροφή του διακόπτη

3 Τα διηλεκτρικά για εφαρμογές σε ΜΕMS θα πρέπει να εμφανίζουν Μικρή αγωγιμότητα (Περιορισμός απωλειών) Αυξημένη αγωγιμότητα (Γρήγορη απομάκρυνση εγχεόμενου-παγιδευμένου φορτίου) To SiN x έχει μελετηθεί εκτενώς και θεωρείται ως το πλέον κατάλληλο υλικό, όμως παρουσιάζει μειονεκτήματα, πχ. απόκλιση από τη στοιχειομετρία Η αγωγιμότητα του διηλεκτρικού μπορεί να βελτιωθεί με τη χρήση περισσότερο αγώγιμων μονοπατιών, πχ. CNTs. Electrical conductivity (S. m -1 ) y=k(p-p c ) MWCNTs content (vol. %) C. Bordas et all, IMS 2007, pp

Oxygen plasma with RIE in order to etch uncovered CNTs Final layer of 100nm SiN x was grown

4 MIM Capacitor Samples Symmetrical Pt/Au contacts of 1mm diameter CNTs solution deposited on bottom electrode via spin coating Deposition of 100nm SiN x via PECVD to embed the CNTs Oxygen plasma with RIE in order to etch uncovered CNTs Final layer of 100nm SiN x was grown by PECVD CNTs diameter 1nm CNTs length 2 3 μm Approximated CNTs density 3 CNTs number 10 μm 2

5 ΜΕΜS Samples Pull In voltage 35V Airgap = 1μm Effective area = 0,015mm 2 Stress 40V για 2min σε διαδοχικά βήματα για ολικό χρόνο 20min Εκφόρτιση για 5.5h Παρακολούθηση της ολίσθησης της τάσης που αντιστοιχεί στην ελάχιστη χωρητικότητα (V min )

6 SiN REF 10-8 E SiN/CNTs [ 10 5 V/cm] ΜΙΜ Results I-V characteristics I [A] V [V] Αύξηση του ρεύματος διαρροής κατά δύο τάξεις μεγέθους στα CNTs Εμφάνιση field emission που οφείλεται στην ανομοιογένεια του ηλεκτρικού πεδίου λόγω της παρουσίας των CNTs F N plot I = A V 2 exp B V Field enhancement factor γ = (2.2 ± 0.8) 10 6 Effective emitting area α= (4.3 ± 0.3) cm 2

7 ΜΙΜ Results Discharging KP setup Βελτίωση της εκφόρτισης Ελάττωση του τ char κατά μια τάξη μεγέθους Discharging current: I dis = C du S dt σ= I dis U S = C U S du S dt U s (t) = U s,0 exp t τ β J dis t = μ ψ,0 β τ t τ β 1 exp t Koutsoureli et all Determination of long time discharge current in microelectromechanical system capacitive switches, Appl. Phys.Lett 99, 2011 τ β

8 ΜΙΜ Results A. Garg et All, "Direct measurement of field emission current in E-static MEMS structures," 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Cancun, 2011, pp Hopping conduction: J = σ H E exp a E J E = σ H exp a E ln(j/e)~e Για πεδίο πάνω από 300kV/cm, ο κυρίαρχος μηχανισμός εκφόρτισης είναι hopping στα δείγματα REF (χωρίς CNTs) Στα δείγματα με CNTs φαίνεται ότι κυρίαρχο ρόλο στην εκφόρτιση παίζουν οι διαδικασίες field emission

9 MEMS Results Charging Process Η προσθήκη CNTs υποβοηθά την φόρτιση Διαφορετικοί μηχανισμοί φόρτισης που οφείλεται στην παρουσία των CNTs Power law for REF material V min follows Stretched exponential law for SiN x /CNTs fims V min t = V 1 exp t τ β

MEMS Results Discharging Process Και στα δύο υλικά το V min ακολουθεί νόμο stretched exponential : V min t = V 0 exp t τ Η εκφόρτιση των SiN x /CNTs είναι 25% γρηγορότερη από

10 MEMS Results Discharging Process Και στα δύο υλικά το V min ακολουθεί νόμο stretched exponential : V min t = V 0 exp t τ Η εκφόρτιση των SiN x /CNTs είναι 25% γρηγορότερη από τα REF β Υπάρχει συμφωνία με την εκφόρτιση των αντίστοιχων MIMs. Οι διαφορές στα μεγέθη οφείλονται στο είδος των επαφών και στην ανομοιογένεια του επιφανειακού φορτίου στα MEMS

11 MEMS Results Discharging Process Και στα δύο δείγματα MEMS, ο κυρίαρχος μηχανισμός εκφόρτισης είναι hopping

12 Συμπεράσματα Παρουσιάζεται μια απλή μέθοδος ενσωμάτωσης CNTs στο κατώτερο στρώμα SiN x, ώστε να αυξηθεί το ρεύμα διαρροής. Στους πυκνωτές ΜΙΜ με SiN x (REF) ο κυρίαρχος μηχανισμός εκφόρτισης είναι οι διαδικασίες hopping ενώ στα ΜΙΜ με SiN x /CNTs βρέθηκε να είναι διαδικασίες field emission Στους διακόπτες MEMS και στα δύο υλικά, o κυρίαρχος μηχανισμός εκφόρτισης βρέθηκε να είναι hopping Δημοσιεύσεις 1. D. Birmpiliotis, P. Czarnecki, M. Koutsoureli, G. Papaioannou, I. De Wolf, Assessment of dielectric charging in capacitive MEMS switches fabricated on Si substrate with thin oxide film, Microelectronic Engineering, Volume 159, 15 June 2016, Pages , ISSN , 2. M. Koutsoureli, D. Birmpiliotis, L. Michalas, G. Papaioannou, An in depth analysis of pull-up capacitancevoltage characteristic for dielectric charging assessment of MEMS capacitive switches, Microelectronics Reliability, Volume 64, September 2016, Pages , ISSN , 3. M. Koutsoureli, D. Birmpiliotis, L. Michalas and G. Papaioannou, "Dielectric charging in MEMS capacitive switches a persisting reliability issue, available models and assessment methods," th Mediterranean Microwave Symposium (MMS), Abu Dhabi, United Arab Emirates, 2016, pp. 1-4., /MMS M. Koutsoureli, G. Stavrinidis, D. Birmpiliotis, G. Konstantinidis, G. Papaioannou, Electrical properties of SiN films with embedded CNTs for MEMS capacitive switches, Microelectronics Reliability, 2017, ISSN ,

5min at 30V σ o (x10-18 Scm -1 ) r ij (nm) N (10 20 cm -3 ) MIM1a 13.2 1.9 1.40 MIM1b 5.11 1.8 1.70 MEMS1a 1.06 3.6 0.

13 Future work Ενδείξεις επαναληψιμότητας του μηχανισμού εκφόρτισης μέσω hopping στο SiN x. Επίδραση της θερμοκρασίας πληροφορίες για το ΔΕ J disch F min = σ o exp r ij α ΔE kt F exp qfr ij kt -31 After stress for 5min at 30V σ o (x10-18 Scm -1 ) r ij (nm) N (10 20 cm -3 ) MIM1a MIM1b MEMS1a MEMS1b MEMS1c ln(j/f) MEMS J/F [S/cm] MEMS2a ,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 F [10 5 V/cm]

Σχετικά έγγραφα

Μελέτη Ηλεκτρομηχανικών Ιδιοτήτων Χωρητικών Διακοπτών RF-MEMS

Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Μελέτη Ηλεκτρομηχανικών Ιδιοτήτων Χωρητικών Διακοπτών RF-MEMS Μπιρμπιλιώτης Δημήτριος Τριμελής Επιτροπή Καθηγητής