Th. doct.-ing.--Électroninque--Grenoble--I.N.P., 1982. N°: DI 315.

Th. doct. ing.--Grenoble, I.N.P.G., 1979. N°: DE 86.

Th. doct.-ing.--Électronique--Grenoble--I.N.P., 1980. N°: DI 174.

Ion-sensitive field effect transistors (ISFET's) have many advantages than the conventional ion selective electrodes. There exhibt the advantages of small size, fast response and compatible with conventional IC technologies. The general structure of ISFET is the same as that of MOSFET. However, the main difference is that the metal gate in MOSFET is replaced by reference electrode/electrolyte/sensing insulator structure in ISFET. The insulator surface will suffer the change of potential as the sample is immersed into electrolyte, by which, we can measure the pH or other ionic concentration. Amorphous barium titanate (a-BaTiO3) thin film as the pH-sensing layer of the ion-sensitive field-effect transistor is prepared by a sol-gel technique. The stock solution in a concentration about 0.42M is obtained. The barium titanate thin films are deposited on SiO2(1000Å)/p-Si substrates, and the EIS structure is frabricated. The fabrication parameters of BaTiO3 thin films are made up of the thickness of 120-360 nm and the firing temperature between 350¢J and 850¢J. The flat-band voltage(£GVBF) is shifted by C-V measurement. The pH sensitivity is on the downside because the thin films thickness and defect increase. The results reveal the MIS C-V curve. The optimum conditions are found that the annealing temperature is about 350¢J, and the sensitivity of about 59.02 mV/pH with regression of 0.9991. The pH response of 40-59 mV/pH in the range of pH 2-12 exists when the a-BaTiO3 thin film with thickness of about 120-360nm at the firing temperature between 350¢J and 550¢Jare prepared. To decrease the fabrication cost, so the numbers of mask and fabrication steps should be minimized, which are reduced to two from four and 10 from 16 steps. Two masks were used to accomplish a-BaTiO3 gated ISFET. I-V curve shows that the a-BaTiO3 gated ISFET exhibits pH responses of about 38 ~48.7 mV/pH in the linear region(IDS=30 £gA and VDS¡×0.2 V), and -11~-24.8 £gA/pH in the satiation region(VGS=3 V and VDS¡×3.5 V), and the regression of above 0.997 was achieved. Both of C-V and I-V curves revealed the BaTiO3 thin films could be used in the ISFET gate.

Cílem diplomové práce bylo nastudovat a popsat mechanismy transportu náboje v tantalovém kondenzátoru. Práce obsahuje stručný teoretický úvod do problematiky kondenzátoru jako součástky a dále se zabývá jednotlivými mechanismy přenosu náboje jako je ohmická, Poole-Frenkel proudová, Schottkyho, tunelovací a emisní složka a také proudem prostorového náboje. V experimentální části byly měřeny ampér-voltové I/V, ampér-časové I/t a impedanční charakteristiky, jejichž data byla následně zpracována pomocí např. Mott-Schottkyho analýzy a byly vyhodnoceny elektrické parametry jako je aktivační energie, koncentrace dopantů, akumulační kapacita nebo potenciálová bariéra. Výsledky, vypočtené veličiny a naměřené hodnoty jsou diskutovány.

Studium transportu náboje v Ta2O5 oxidových nanovrstvách se zaměřuje především na objasnění vlivu defektů na vodivost těchto vrstev. Soustředíme se na studium oxidových nanovrstev Ta2O5 vytvořených pomocí anodické oxidace. Proces výroby Ta2O5 zahrnuje řadu parametrů, jež ovlivňují koncentraci defektů (oxidových vakancí) v této struktuře. Vrstva oxidu Ta2O5 o tloušťce 20 až 200 nm se často používá jako dielektrikum pro tantalové kondenzátory, které se staly nedílnou součástí elektrotechnického průmyslu. Kondenzátory s Ta2O5 dielektrickou vrstvou lze modelovat jako strukturu MIS (kov – izolant – polovodič). Anodu tvoří tantal s kovovou vodivostí, katodu potom MnO2 či vodivý polymer (CP), které jsou polovodiče. Hodnoty elektronových afinit, respektive výstupních prací, jednotlivých materiálů potom určují výšku potenciálových bariér vytvořených na rozhraních kov-izolant (M – I) a izolant-polovodič (I – S). Dominantní mechanizmy transportu náboje lze určit analýzou I-V charakteristiky zbytkového proudu. Dominantní mechanizmy transportu náboje izolační vrstvou jsou ohmický, Poole-Frenkelův, Shottkyho a tunelování. Uplatnění jednotlivých vodivostních mechanismů je závislé na teplotě a intenzitě elektrického pole v izolantu. Hodnota zbytkového proud je významným indikátorem kvality daného izolantu. Ten závisí na technologii výroby kondenzátoru, významně především na parametrech anodické oxidace a na materiálu katody. I-V charakteristiky zbytkového proudu se měří v normálním a reversním módu, tj. normální mód značí kladné napětí na anodě a reversní mód záporné napětí na anodě. I-V charakteristika je výrazně nesymetrická, a proto tyto kondenzátory musí být vhodně polarizovány. Nesymetrie I-V charakteristiky se snižuje s klesající teplotou, při teplotě pod 50 K a je možno některé kondenzátory používat jako bipolární součástky. Z analýzy I-V charakteristiky lze určit řadu parametrů, jako tloušťku izolační vrstvy a koncentraci defektů v izolační Ta2O5 vrstvě a dále lze odhadnout parametry MIS modelu kondenzátoru - stanovit hodnotu potenciálových bariér na rozhraních M – I a I – S. Měření C-V charakteristik při různých teplotách v rozsahu 10 až 300 K je využíto pro určení výšky potenciálové bariéry na rozhraní I – S, závislosti kapacity na teplotě a dále pro výpočet efektivní plochy elektrod. Z výbrusu vzorků na skenovacím elektronovém mikroskopu byly určeny tloušťky dielektrika Ta2O5 pro jednotlivé vyhodnocované řady kondenzátorů.

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.

The thesis is focused on the electrodeposition of tantalum from ionic solution 1-butyl-1- methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide, ([BMP]Tf2N) at 200°C and description of related transfer and kinetic phenomena on the interface between the ionic solution and working electrode. Furthermore, the electrodeposition of tantalum layers in different ionic solutions containing tantalum salts and especially in ([BMP]Tf2N) is introduced. In the last part of the thesis, results of cyclic voltammetry, surface analysis SEM and elemental analysis EDX are discussed. MIS (metal-insulator-semiconductor) structure was determined comprising porous anodic alumina as the insulator and semiconductive TaxOy on the top of the insulator. The electric conductivity of the MIS structures was studied by using amper-volt IV and CV characteristics. The results of the cyclic voltametry, impedance spectroscopy and chronoamperometry are discussed.

The task of the thesis was studding of tantalum capacitors with solid electrolytes properties. Ta – Ta2O5 – MnO2 capacitor by its construction represents MIS structure, where tantalum anode has metal conductivity and MnO2 cathode is semiconductor. Isolation layer consists of tantalum pentoxide Ta2O5 with relative permitivity r = 27. Dielectric thickness is typically in range from 30 to 150nm. The capacitor charge is not only stored and accumulated on electrodes but also in localised states (oxide vacancies) in isolation layer. The capacitor connected in normal mode represents MIS structure polarized in reveres direction when the applied voltage higher potential barrier between semiconductor - MnO2 cathode and isolation of Ta2O5. The transport of charge carriers via isolation layer is determined by Poole-Frenkel mechanisms and tunnelling. Poole-Frenkel mechanism of charge transport is dominant in low intensity of electric field. Tunnelling determines current at higher electric field intensity. During low intensity of electric field ohmic component is also presented which is determined by volume of resistance of impurities in isolation layer due to donor states of oxygen vacancies. Based on the modelling of measured VA characteristics is possible to estimate determine dielectric thickness of Ta2O5 and determine share of Poole-Frenkelov and tunnel current and charge transportation. The thesis is described charge transport and charge concentration on tantalum capacitor in low frequency area and analysis of capacitor behaviour at frequency band. The first impulse for the thesis was an effort to create equivalent circuit diagram of tantalum capacitor in respect of its physical and electrical behaviour. There is an opportunity to study and determine electric charge transport and its accumulation based on the equivalent circuit diagram structure. There is also a chance to define and trace potential barriers and charge distribution in the capacitor structure based on an measurement and carried out experiments. This methodology and analysis consists of electrical characteristic determination to create physical model of the capacitor describing it function, properties and behaviour.