Original title:
Analýza transportních a šumových charakteristik oxidových vrstev na bázi niobu
Translated title:
Noise and Transport Analysis of the Niobium Oxide Layers
Authors:
Sita, Zdeněk ; Hájek, Karel (referee) ; Koktavý, Bohumil (referee) ; Grmela, Lubomír (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2015
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Abstract:
[eng][cze]
Kondenzátor na bázi oxidu niobu je novým typem pasívní součástky, jehož vývoj byl motivován snahou vyřešit hlavní nedostatky tantalového kondenzátoru – omezený zdroj tantalové suroviny a nebezpečí hoření při průrazu. Chování kondenzátoru na bázi oxidu niobu lze stejně jako u tantalového kondenzátoru popsat prostřednictvím reverzní MIS struktury. Pro studium mechanismu transportu nosičů nábojů v dielektriku Nb2O5 a pro stanovení fyzikálních parametrů, které řídí zbytkový proud, bylo využito měření V-A charakteristik v normálním a reverzním módu při 77 a 300K, dále závislosti kapacity ochuzené vrstvy na napětí a frekvenci, teplotní a časové závislosti zbytkového proudu a spektrální hustoty šumu ve frekvenční a časové doméně při různých napětích. Experimentální data potvrdila platnost navrženého pásového diagramu MIS struktury a poskytla jeho klíčové parametry. Bylo ověřeno, že transport nosičů náboje v NbO kondenzátorech je určen ohmickou, Poole-Frenkelovou a tunelovou složkou v normálním módu, a Schottkyho emisí v reverzním módu. V rozsahu standardních aplikačních napětí dominují v normálním módu Poole-Frenkelova emise a v reverzním módu Schottkyho emise. Při vyšších napětích v normálním módu určuje průrazné napětí kondenzátoru tunelový mechanismus. V reverzním módu rozhoduje o odolnosti vůči tepelnému průrazu kondenzátoru výška bariéry mezi dielektrikem a anodou. Bylo zjištěno, že NbO a Tantalové kondenzátory mají stejný mechanismus vodivosti. Specifika NbO anody se projevují pouze v rozdílných hodnotách parametrů pásového diagramu, nikoliv v principech mechanismu transportu nosičů náboje. To vysvětluje základní rozdíl mezi oběma kondenzátory, který je v kvalitě dielektrické vrstvy na přechodu anody a dielektrika. Nižší potenciálové bariéry a vyšší počet defektů v dielektriku, který je způsoben dalším stabilním oxidem, má za následek vyšší zbytkový proud NbO kondenzátoru. Tento jev však nemá žádný vliv na spolehlivost součástky. Teoretické modely a vybrané testovací metody byly použity k volbě vhodných materiálů anody, ke stanovení vhodných dopantů a k optimalizaci technologie anodické oxidace. Byla nalezena korelace mezi parametry transportu nosičů náboje a spolehlivostí, a na základě experimentálních dat byly navrženy optimalizace výrobního procesu kondenzátorů. Lepší porozumění transportním mechanismům v NbO kondenzátorech umožnilo úplný popis nové součástky na bázi oxidu niobu. Byly zdůrazněny silné a slabé stránky této nové technologie a nalezeny nástroje pro optimalizaci procesů, které umožní vyšší spolehlivost a efektivitu NbO kondenzátorů.
Niobium oxide capacitor is a new type of passive components, which was developed to overcome basic disadvantages of Tantalum capacitors – limited ore source and burning failure mode. Similarly to Tantalum one, the niobium oxide capacitor can be described as a reverse MIS structure. V-A characteristics in normal and reverse mode at 77 and 300K, capacitance dependence of depleted layer on voltage and frequency, temperature and time dependence of leakage current and noise spectral density in frequency and time domains for different voltages were used to study charge carrier transport mechanisms in Nb2O5 dielectric and to define physical parameters, controlling the leakage current. Experimental data verified validity of proposed MIS structure band diagram and provided its key parameters. It was proven that the charge carrier transport in NbO capacitors is given by ohmic, Poole-Frenkel and tunnelling component in normal mode, and Schottky emission in reverse mode. Poole-Frenkel mechanism in normal mode and Schottky emission in reverse mode are dominant in the standard application voltage range. At high voltages, the tunnelling mechanism in normal mode determines breakdown voltage of the capacitor. In reverse mode, the barrier height between dielectric and anode determines resistance against thermal breakdown of the capacitor. It was found that NbO and Ta capacitors have identical conductivity mechanisms. Specifics of NbO anode material are reflected only in different values of the band diagram parameters, not in the principles of charge carrier transport mechanisms. This explains basic difference between both capacitors, which is in the quality of the dielectric layer at the anode - dielectric interface. Lower potential barriers and higher number of defects in the dielectric, caused by additional stable oxide, result in higher leakage current of NbO capacitor. This effect has however no effect on reliability of the component. Theoretical models and determined testing methods were used to select proper anode materials, to evaluate suitable dopants for NbO raw material improvement and to optimize the anodic oxidation technology. Charge carrier transport parameters were correlated with the reliability and on the basis of experimental data optimization of the capacitors manufacturing process was proposed. Better understanding of transport mechanisms in the NbO capacitors gave complete overview of the new Niobium oxide based component with highlighting strong and weak points of this new technology, and provided tools for better understanding of driving forces which improve efficiency and reliability of NbO capacitors.
Keywords:
kapacita ochuzené vrstvy; MIS struktura; Niobové kondenzátory; oxid niobičný; transport nosičů náboje; voltampérové charakteristiky; šum; capacitance of depleted layer; charge carrier transport; MIS structure; Niobium oxide capacitor; niobium pent-oxide; noise; Volt-Ampere characteristics
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/51758
guest ::
