xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

και Ta 2 O 5 , των οποίων η επιλογή βασίστηκε στη συμβατότητα τους με την τεχνολογία των RF MEMS [2], τα ηλεκτρικά τους
χαρακτηριστικά και τις δομικές και φυσικές τους ιδιότητες. Η προσομοίωση διεξήχθη με τη χρήση του κώδικα MCNP, με σκοπό να
υπολογιστεί το επαγόμενο φορτίο και η κατανομή του σε αυτές τις διατάξεις, καθώς υπόκεινται σε ακτινοβόληση από φωτόνια
ενέργειας 20 keV. Η διαμέριση του πάχους του μονωτικού στρώματος ελήφθη ίση με 20nm.
Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης καταδεικνύουν ότι το φαινόμενο φόρτισης του μονωτή οφείλεται στην εκπομπή δευτερογενών
ηλεκτρονίων από την επιφάνεια του μονωτή και τα γειτονικά φιλμ Au. Όπως αναμενόταν, η διάταξη D2 μένει πάντα θετικά φορτισμένη
κατά την ακτινοβόλησή της, ανεξάρτητα από τη σύστασή της. Η κατανομή του επαγόμενου φορτίου είναι σχεδόν ανεξάρτητη του
πάχους του μονωτικού στρώματος για τα υλικά με χαμηλή πυκνότητα και μέσο ατομικό αριθμό (Z =10). Παραταύτα, καθώς η
πυκνότητα και ο μέσος ατομικός αριθμός του υλικού αυξάνεται, η κατανομή του επαγόμενου φορτίου παίρνει τη μορφή ενός “U” όπως
εικονίζεται στο Σχήμα 1 για την περίπτωση του HfO 2 , καταδεικνύοντας ότι η δευτερογενής εκπομπή ηλεκτρονίων συμβαίνει κοντά
στην επιφάνεια του στρώματος, όπως προαναφέρθηκε.
Στην περίπτωση της διάταξης D1, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για την ακτινοβόληση της διάταξης με μαλακές ακτίνες–Χ
δείχνουν ότι τα στρώματα Au (που χαρακτηρίζεται από τον μεγαλύτερο ατομικό αριθμό και συνεπώς από το μεγαλύτερο συντελεστή
απορρόφησης για τις ακτίνες–Χ), προκαλούν εκπομπή ηλεκτρονίων προς το στρώμα του μονωτή. Όπως εικονίζεται στο Σχήμα 2, η
κατανομή του επαγόμενου φορτίου στο εσωτερικό του μονωτικού στρώματος παίρνει τη μορφή ενός ανεστραμμένου “U”, η οποία είναι
πολύ σαφής όταν το πάχος του στρώματος είναι μικρό. Η συγκεκριμένη μορφή αποτελεί σαφή ένδειξη ότι προκαλείται μια έντονη
συγκέντρωση αρνητικού φορτίου κοντά στη διεπιφάνεια μονωτή – Au, η οποία αμβλύνεται σταδιακά στο εσωτερικό του διηλεκτρικού.
Συμπερασματικά, η προσομοίωση κατέδειξε ότι μονωτές με μεγάλη πυκνότητα και μέσο ατομικό αριθμό, θα πρέπει να προτιμώνται ως
διηλεκτρικά σε διατάξεις RF MEMS που θα λειτουργούν σε περιβάλλον πλούσιο σε ακτινοβολία μαλακών ακτίνων – Χ, ιδιαίτερα όταν
το συνολικά επαγόμενο φορτίο σε αυτά αποτελεί κρίσιμη παράμετρο. Ανάμεσα στα έξι μονωτικά υλικά που αξιολογήθηκαν, το Ta 2 O 5
εμφανίζει το χαμηλότερο καθαρό επαγόμενο φορτίο, όταν η διάταξη M.I.M ακτινοβολείται από μαλακές ακτίνες – Χ. Η κατανομή του
επαγόμενου φορτίου στα μονωτικά χαμηλής πυκνότητας και μέσου ατομικού αριθμού, εμφανίζει μια μάλλον ομοιόμορφη συμπεριφορά,
που μπορεί να αποδοθεί στην έγχυση ηλεκτρονίων με υψηλή κινητική ενέργεια στο μονωτικό στρώμα, από τις μεταλλικές επαφές. Η
χαμηλή παγίδευση φορτίου που παρατηρείται στα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τα «βαριά» μονωτικά υλικά, μπορεί να
αποδοθεί στο συνδυασμό των φαινομένων της έγχυσης ηλεκτρονίων από τις γειτονικές επαφές και την ανακατανομή του φορτίου στο
μονωτικό στρώμα που κατά την ακτινοβόλησή του αποκτά αρχικά θετικό φορτίο. Από την προσομοίωση καταδεικνύεται ότι η έγχυση
φορέων από τις μεταλλικές επαφές καθορίζει εν πολλοίς την ποσότητα και την κατανομή του επαγόμενου φορτίου στο εσωτερικό του
διηλεκτρικού, γεγονός που καθιστά κρίσιμη την επιλογή του κατάλληλου υλικού για την κατασκευή των μεταλλικών ηλεκτροδίων ενός
διακόπτη κατασκευασμένου από RF MEMS. Παραταύτα, είναι γνωστό ότι τα μονωτικά φιλμ των MEMS πρέπει να εναποτίθενται πάνω
σε υψηλής αγωγιμότητας μέταλλα, όπως ο Au, ώστε να περιορίζονται οι απώλειες της διάταξης όταν αυτή λειτουργεί σε υψηλές
συχνότητες. Από τη στιγμή δε που υπάρχουν περιορισμοί που αφορούν στο packaging και στις διαδικασίες εναπόθεσης μονωτών σε
μέταλλα, μια εναλλακτική λύση θα ήταν η επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού ανάμεσα στις παραμέτρους του πάχους του μεταλλικού
ηλεκτροδίου και του υλικού του διηλεκτρικού φιλμ που θα χρησιμοποιηθούν. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης καταδεικνύουν ότι
για την επίτευξη χαμηλού συνολικού παρασιτικού φορτίου στο διηλεκτρικό στρώμα κατά την ακτινοβόληση μιας διάταξης με μαλακές
ακτίνες–Χ, ο βέλτιστος συνδυασμός αφορά στη χρήση μονωτικής ένωσης που αποτελείται από χημικά στοιχεία με παραπλήσιο ατομικό
αριθμό αυτών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των μεταλλικών ηλεκτροδίων της διάταξης. Ιδιαίτερη αξία έχει να επεκταθεί η
παρούσα προσομοίωση, ώστε να εκτιμηθεί η συμπεριφορά των διατάξεων αυτών και υπό ακτινοβόληση από σκληρές ακτίνες – Χ
καθώς και ακτίνες – γ, ώστε να εξαχθούν παρόμοια συμπεράσματα για τις κατασκευαστικές παραμέτρους διατάξεων MEMS που θα
κληθούν να λειτουργήσουν σε τέτοιας φύσης περιβάλλον.
Induced Charge Distribution
[No of Charge / Incident Photon]
Au - insulator interface
1,0x10 -3
8,0x10 -4
1,2x10 -3
6,0x10 -4
100nm
140nm
180nm
220nm
Insident Photon Direction
4,0x10 -4
260nm
300nm
2,0x10 -4 340nm
380nm
420nm
0,0
Depth in the insulator layer (nm)
50 100 150 200 250 300 350 400
Induced Charge Distribution
[No of Charge / Incident Photon]
2,0x10 -4
0,0
0 20 40 60 80 100120140160180200220 240260280300
Depth in the insulator layer
-2,0x10 -4
-4,0x10 -4
-6,0x10 -4
Insident Photon Direction
Al 2
O 3
AlN
-8,0x10 -4
SiO 2
Si 3
N 4
HfO 2
Ta 2
O 5
Au - insulator interface
Σχήμα 1 Κατανομή επαγόμενου φορτίου στο μονωτικό στρώμα
HfO 2 (Διάταξη D2).
Σχήμα 2 Κατανομή του επαγόμενου φορτίου στο διηλεκτρικό
στρώμα πάχους 300nm μιας ακτινοβολούμενης δομής MIM
(Διάταξη D1).
[1] McClure S et al. IEEE Transactions on Nuclear Science 49 (2002) 3197-3203
[2] Lisec T et al. 34 th European Microwave Conference Proc., IEEE CNF 1 (2004) 73-76
[3] Rottenberg X et al. 34 th European Microwave Conf. Proc., IEEE CNF 1 (2004) 77-80
[4] Exarchos M et al. J. of Microelectronics Reliability, 45 (2005) 1782-1785
[5] Papaioannou J G et al. Transactions on Microwave Theory and Techniques, IEEE MTT-s 53 (2005) 3467-3473
[6] Papaioannou J G et al. 34 th European Microwave Conf. Proc., IEEE CNF 1 (2004) 65-68
[7] Theonas V G et al. 13 th European Heterostructure Technology Workshop (2004)
[8] Theonas V G et al. MMN 2004 JoP CNF 10 (2004) 313-316
[9] Cazaux J J. of Microscopy 188 (1997) 106-24
[10] Cazaux J et al. J. Appl. Phys. 89 (2001) 8265
[11] Baragiola R A et al. Phys. Rev. B 58 (1998) 13212
[12] US National Institute of Standards and Technology www.nist.gov
79