Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων μικροηλεκτρομηχανικών διακοπτών χωρητικότητας

Abstract

This doctoral dissertation presents an in-depth study of the electrical properties and reliability issues in capacitive MicroElectroMechanical Systems (MEMS) switches, with particular focus on charge transport phenomena in thin dielectric films. The aim of this research is to investigate the dominant conduction mechanisms and understand their role in performance degradation and failure in RF-MEMS devices and MIM capacitors under the influence of strong electric fields. The study combines theoretical modeling with experimental characterization. Detailed analysis is performed on mechanisms such as field emission (Fowler–Nordheim), Poole–Frenkel conduction, trap-assisted tunneling (TAT), and hopping conduction. The experimental techniques employed include current–voltage (I–V) measurements under various biasiNg and environmental conditions and thermally stimulated depolarization current (TSDC) spectroscopy for studying charge dynamics. In addition, the effect of electrode material (e.g., Au, Ni), dielectric film thickness (50–200 nm), and environmental conditions (vacuum, dry nitrogen, ambient atmosphere) on dielectric charging and field emission stability is examined. The phenomenon of resistive switching and the role of metal contacts (Au and Ni) are also investigated. The occurrence of irreversible damage due to electrical discharge is correlated with crater formation and surface degradation of the electrodes. The findings of this dissertation provide essential insight into the physical mechanisms that govern the reliability of microelectronic switching structures. They offer valuable guidance for the design of robust MEMS components with enhanced lifetime, contributing to advanced applications in RF electronics, sensing technologies, and integrated systems, where miniaturization and long-term stability are critical requirements.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει μια εκτενή μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων και των ζητημάτων αξιοπιστίας σε χωρητικούς διακόπτες ΜικροΗλεκτροΜηχανικών Συστημάτων (MEMS), με ιδιαίτερη έμφαση στα φαινόμενα μεταφοράς φορτίου σε λεπτά διηλεκτρικά υμένια. Στόχος της έρευνας είναι η διερεύνηση των κυρίαρχων μηχανισμών αγωγιμότητας και η κατανόηση του ρόλου τους στην υποβάθμιση της απόδοσης και την εμφάνιση αστοχίας σε διατάξεις RF-MEMS και πυκνωτές MIM, υπό την επίδραση ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων. Η μελέτη συνδυάζει κυρίως πειραματικό χαρακτηρισμό καθώς και θεωρητική μοντελοποίηση. Αναλύονται διεξοδικά μηχανισμοί όπως η εκπομπή πεδίου (Fowler–Nordheim), η αγωγιμότητα τύπου Poole–Frenkel, η σήραγγα μέσω παγίδων (TAT), και η αγωγιμότητα μέσω hopping. Οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν χαρακτηριστικές ρεύματος–τάσης (I–V) υπό διαφορετικές συνθήκες πόλωσης και περιβάλλοντος καθώς και φάσματα θερμικά διεγειρομένων ρευμάτων αποπόλωσης (TSDC) για τη μελέτη της δυναμικής φόρτισης. Επιπλέον, εξετάζεται η επίδραση του υλικού των ηλεκτροδίων (π.χ. Au, Ni), του πάχους του διηλεκτρικού υμενίου (50–200 nm) και των περιβαλλοντικών συνθηκών (κενό, ξηρό άζωτο, ατμόσφαιρα περιβάλλοντος) στη φόρτιση του υμενίου και στη σταθερότητα της εκπομπής πεδίου. Επίσης, αναλύεται το φαινόμενο μεταγωγής αντίστασης (resistive switching) και ο ρόλος των μεταλλικών επαφών Au και Ni. Η εμφάνιση μη αντιστρεπτών βλαβών λόγω ηλεκτρικής εκκένωσης συσχετίζεται με τη δημιουργία κρατήρων και την υποβάθμιση της επιφάνειας των ηλεκτροδίων. Τα αποτελέσματα της διατριβής προσφέρουν ουσιαστική γνώση για τους φυσικούς μηχανισμούς που καθορίζουν την αξιοπιστία σε μικροηλεκτρονικές διατάξεις διακοπτών. Παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για το σχεδιασμό ανθεκτικών MEMS στοιχείων με αυξημένη διάρκεια ζωής, συμβάλλοντας σε προηγμένες εφαρμογές RF ηλεκτρονικής, αισθητήρων και ολοκληρωμένων συστημάτων, όπου η σμίκρυνση και η μακροχρόνια σταθερότητα αποτελούν κρίσιμες απαιτήσεις.