Reglament del Departament d'Enginyeria Electrònica

Acord del Consell de Govern de 29 de setembre de 2004 i modificat per l'acord de 21 de gener de 201

Monolithic integration of VLS silicon nanowires into planar thermoelectric microgenerators

Descripció del recurs: el 01 setembre 2012La creciente demanda de energía portátil requerida por sistemas miniaturizados está impulsando el desarrollo de nuevas tecnologías y materiales para lograr una eficiente generación de energía a una microescala. Los microgeneradores termoeléctricos ofrecen una oportunidad para recolectar el calor residual de dispositivos electrónicos y convertirlo en energía, eliminando a la vez dicho calor. La baja eficiencia de conversión termoeléctrica de los materiales semiconductores utilizados actualmente en microelectrónica ha limitado su aplicación para fines de aprovechamiento energético. Sin embargo, recientemente se ha constatado una mejora de varios órdenes de magnitud en las propiedades termoeléctricas del silicio cuando se presenta en forma de nanohilos, abriéndose de esta manera la oportunidad para la integración de generadores termoeléctricos en microtecnología de silicio. En esta tesis se han integrado monolíticamente matrices densas y ordenadas de nanohilos de silicio (Si NWs) en un dispositivo micromecanizado también en silicio. La técnica VLS-CVD ha sido utilizada para el crecimiento lateral controlado de los nanohilos. La microestructura ha sido apropiadamente diseñada para adaptar el crecimiento tridimensional de las matrices de nanohilos de silicio en una arquitectura plana y para asegurar el acceso eléctrico a los nanohilos. Adicionalmente, el dispositivo permite el establecimiento de un gradiente de temperatura interno plano cuando se pone en contacto con una fuente de calor, lo que da lugar a un microgenerador termoeléctrico completo en el que los nanohilos de silicio actúan como el material termoeléctrico nanoestructurado. Esta tesis tiene por objeto presentar los primeros desarrollos de integración de materiales termoeléctricos, técnicas de caracterización y tecnologías de fabricación realizados en el IMB-CNM (CSIC), sentando las bases para el desarrollo de futuras generaciones de microgeneradores termoeléctricos. Esta tesis se compone de cuatro capítulos. En el primer capítulo se presenta una breve introducción al mundo de la termoelectricidad, revisando el estado del arte de materiales y dispositivos termoeléctricos. El segundo capítulo está enfocado en las técnicas experimentales y tecnológicas empleadas a lo largo del estudio. El capítulo tres describe el proceso seguido para el diseño, simulación y fabricación de un microgenerador termoeléctrico plano basado en una sola matriz de nanohilos de silicio. Finalmente, el capítulo cuatro estudia el aumento en el rendimiento de los microgeneradoes termoeléctricos mediante matrices de nanohilos de silicio conectadas transversalmente, adaptando y explotando aún más el crecimiento lateral 3D de nanohilos de silicio VLS.The increasing demand for portable power required by miniaturized systems is driving the development of new technologies and materials to achieve efficient energy generation at the microscale. Apart from removing heat from electronic devices, thermoelectric microgenerators offer an attractive opportunity to harvest waste heat converting it into power. The low thermoelectric conversion efficiency of current bulk microelectronics semiconductor materials has limited their implementation for energy harvesting purposes. However, recent studies have proven, at single nanowire level, that nanostructuring of silicon into nanowires greatly enhances the thermoelectric properties of this material, opening up the opportunity for the integration of thermoelectric generators into silicon microtechnology. In this thesis, dense and well-ordered arrays of silicon nanowires (Si NWs) have been monolithically integrated into a silicon micromachined device. The VLS-CVD technique has been used for the controlled lateral growth of nanowires. The microstructure has been appropriately designed to adapt the tridimensional growth of the Si NWs arrays to a planar architecture, and to assure electrical accessibility to the nanowires. Additionally, the device allows an internal in-plane temperature gradient to be established when placed in contact with a heat source, giving rise to a complete thermoelectric microgenerator in which the Si NWs act as the nanostructured thermoelectric material. This thesis is intended to bring new background in thermoelectric materials integration, characterization techniques and fabrication technologies to the IMB-CNM (CSIC), paving the way for the development of future generations of thermoelectric microgenerators. The work presented in this thesis is divided into four chapters. The first chapter introduces thermoelectricity and its underlying physics, reviewing the state-of-the-art of thermoelectric materials and devices. The second chapter focuses on the experimental and technological tools employed along this study. The third chapter describes the process followed for the design, simulation and fabrication of the building block of the proposed planar thermoelectric microgenerators based on a single Si NWs array. Finally, chapter four studies the enhanced performance of thermoelectric microgenerator structures by means of transversally linked Si NWs arrays, further adapting and exploiting the 3D lateral growth of VLS Si NWs

TCAD study of interface traps-related variability in ultra-scaled MOSFETs /

BibliografiaEl trabajo desarrollado en esta tesis se ha enfocado en el análisis y estudio del impacto que tienen en la variabilidad de MOSFETs ultraescalados el número y la distribución espacial de las trampas interficiales. En los estudios realizados, el número de localizaciones en las que las trampas estaban ubicadas se varió, pero siempre se mantuvo la carga total constante, definiendo diferentes densidades de trampas según el número de localizaciones analizado. Inicialmente se realizaron simulaciones en 2D de trampas interficiales situadas a lo largo del canal del transistor y se analizó su influencia en Vth. Se analizaron los casos de una sola localización, analizando la influencia de la longitud de canal y tensión de drenador, 2 y múltiples localizaciones. Posteriormente, el análisis se extendió a simulaciones en 3D, simulando trampas interficiales distribuidas a lo largo y ancho del transistor. Finalmente, se analizó el efecto de trampas interficiales no solo en Vth si no también en Ion. Para tener una visión más realista del efecto de las trampas interficiales en la variabilidad del transistor MOSFET ultrescalado, se extendió el estudio a simulaciones en 3D de un dispositivo de WxL = 50nm x 20nm. Los resultados mostraron que la localización de las trampas a lo largo del canal tiene más influencia que su posición a lo ancho del canal. Además, para el caso de considerar dos trampas, se observó que si estaban muy juntas su influencia es menor que si están suficientemente separadas. Los resultados se interpretaron en términos de cambios en el área de barrera de potencial creados según la posición de las trampas. Se simularon dispositivos con diferente número de localizaciones en posiciones aleatorias y se observó un efecto 'turn around' en la dependencia de Vth (valor medio) y σVth. El incremento inicial en Vth se atribuyó a un incremento del área de la barrera efectiva con el número de localizaciones. El decremento posterior observado en Vth al aumentar el número de localizaciones se atribuyó a un aumento de la probabilidad de tener trampas muy cerca unas de otras resultando en una disminución del área de la barrera, junto con el escalado en carga en cada localización. También se observó que σVth sigue la ley de Pelgrom y que la anchura del dispositivo juega un papel dominante en esta dependencia. Por otro lado, también se ha observado que la distribución espacial de trampas afecta a la corriente Ion. Los resultados mostraron que la localización de trampas a lo largo del canal influye fundamentalmente en Vth, mientras que la distribución de trampas a lo ancho del canal afecta sobre todo a Ion. Estas dependencias explican las asimetrías encontrados en las características Id-Vg de los transistores. El trabajo se podría continuar analizando el impacto de distribuciones de trampas en condiciones dinámicas, como ocurre en los mecanismos de RTN o el BTI. La principal aplicabilidad de los resultados de esta tesis se sitúa en el campo de la fiabilidad de MOSFETs ultrescalados. Las aportaciones hechas en esta tesis contribuyen a entender el efecto del número distribución espacial de trampas interficiales, que pueden originarse con mecanismos que pueden reducir la fiabilidad como Bias Temperature Instabilities (BTI), Hot Carrier Injection (HCI) o Random Telegraph Noise (RTN), en la dispersión de las características de transistores MOSFET.The work developed in this thesis has focused on the analysis and study of the impact on the variability of ultra-scaled MOSFETs due to the number and spatial distribution of interfacial traps. In the study, the number of locations where traps were located were randomly varied, but the total charge in the entire device was always maintained constant. Initially 2D simulations of interfacial traps located along the channel of the transistor and its influence on Vth was analyzed. The analysis was started with the case of a single location, analyzing the influence of channel length and drain voltage, and the case of 2 and multiple locations were analyzed. Subsequently, the analysis was extended to 3D simulations, simulating interfacial traps distributed across the transistor. Finally, the effect of interfacial traps was analyzed not only on Vth but also on Ion. For a more realistic vison of the effect of interfacial traps variability on ultra-scaled MOSFET transistors, the study was extended to 3D simulations of a device WxL = 50nm x 20nm. The results showed that the location of traps along the channel has more influence than its position at the edge of the channel. In addition, when the case of two traps were considered, it was observed that if they were close together their influence is less than if they were sufficiently separated. The results were interpreted in terms of changes in the area of potential barrier created by the position of the traps. Devices were simulated with different number of locations at random positions and compared to the 2D results, a 'turn around' effect was observed in the dependence of Vth (mean value) and σVth. The initial increase in Vth was attributed to an increase in area of the effective barrier with the increase in the number of locations. The subsequent decrease observed in Vth with the increase in the number of locations was attributed to an increased likelihood of having traps very close to one another resulting in a decrease in the effective area of the barrier, along with the charge scaling at each location. It was also noted that σVth follows the Pelgrom's law and that the width of the device plays a dominant role in this dependence. Furthermore, it has also been found that the spatial distribution of the traps affects the Ion. The results showed that the location of traps along the channel fundamentally influences Vth, while the distribution of traps channel along the width affects mostly Ion. These dependencies explain the asymmetries found in the Id-Vg characteristics of transistors. The work could be continued by analyzing the impact of distributions of traps in dynamic conditions, as in the mechanisms of RTN or BTI. The main applicability of the results of this thesis lies in the field of reliability of ultra-scaled MOSFETs. The contributions made in this thesis contribute to understand the effect of the number and the spatial distribution of interfacial traps that can arise with mechanisms such as Bias Temperature Instabilities (BTI), Hot Carrier Injection (HCI) or Random Telegraph Noise (RTN) that can reduce device reliability and result in the dispersion of the characteristics of MOSFETs

Antenna design solutions for radio frequency identification (RFID) tags based on metamaterial-inspired resonators and other resonant structures

Premi Extraordinari de Doctorat concedit pels programes de doctorat de la UAB per curs acadèmic 2017-2018Avui dia, la identificació automàtica i unívoca d'objectes s'està imposant com a necessitat creixent a nivell global, degut al ràpid increment de la producció i del comerç mundial. En resposta, la identificació per radiofreqüència (RFID) està emergint com una alternativa viable i més evolucionada al codi de barres, i està sent utilitzada en una multitud d'aplicacions diferents, tal com el seguiment de paquets, els inventaris intel·ligents, el control d'accessos i el pagament sense contacte. Encara que la tecnologia RFID ha aconseguit entrar amb èxit en la nostra vida diària, oferint una solució convenient en moltes aplicacions, existeixen alguns reptes que estan frenant la seva difusió. Per exemple, l'etiquetatge de petits objectes metàl·lics necessita de més recerca, per tal d'obtenir etiquetes RFID més primes i petites, donat que actualment les etiquetes RFID per metall són més gruixudes i més cares que les etiquetes RFID convencionals. El disseny d'etiquetes RFID miniaturitzades amb una resposta independent de l'orientació és també un problema encara pendent. En altres casos, el context d'etiquetatge requereix maximitzar la distancia de lectura, encara que això impliqui augmentar les dimensions de l'etiqueta. Per tant, el disseny d'etiquetes RFID d'alta distancia de lectura és un altre repte interessant en la investigació sobre la tecnologia RFID. L'objectiu principal d'aquesta tesi és la recerca de solucions pràctiques als problemes mencionats, que contribueixin al desenvolupament de la tecnologia RFID, així com a la seva ulterior difusió en les aplicacions de la vida diària. En concret, aquest treball es focalitza en el disseny d'antenes per etiquetes passives de RFID a la banda UHF basades en ressonadors inspirats en el món dels metamaterials (ressonadors d'anells oberts i estructures derivades) com a elements radiants, explorant també solucions alternatives basades en altres estructures ressonants.Nowadays, the automatic and univocal identification of items all around the world is becoming a growing necessity, as a consequence of the rapid increase of the global production and trade. In this regard, radio frequency identification (RFID) technology has been emerging as a suitable and more evolved alternative to barcodes, being already used in a multitude of applications in everyday life, such as items tracking through the supply chain, smart inventory, access control and contactless payment. However, although RFID has achieved entering into the mainstream of technology, already providing a cost-effective solution in many scenarios, several challenges are still waiting response. Among these, the identification of small metallic objects still requires further efforts for obtaining thinner and smaller RFID tags, being the current on-metal tagging solutions thicker and much more expensive than conventional RFID tags. Also, the design of miniaturized RFID tags presenting uniform (or quasi-uniform) reading pattern, which would allow identification of small objects independently from their orientation, is still troublesome. On the other hand, some applications require maximizing the reading distance, even at the expense of the tag dimensions, so that the design of RFID tags with optimized reading distance is another interesting research subject within the frame of RFID technology. The main objective of this thesis is to explore solutions to the aforementioned problems, thus contributing to the advance of RFID technology, and to its further extension to everyday life applications. To this end, this work is focused on the antenna design for passive RFID tags working at the UHF frequency band (passive UHF-RFID tags), exploring the use of metamaterial-inspired resonators (i.e., the split-ring resonator and its derived structures) as radiating elements, and also considering alternative solutions based on other kinds of resonant structures

Development of conductive SPM probes for applications in biology

Se han desarrollado sondas de SPM conductoras y aisladas para la caracterización por microscopía de impedancia de barrido en medio ambiente líquido. Las sondas se han desarrollado debido a la necesidad de caracterizar dispositivos biosensores olfativos en el proyecto Europeo BOND. Hemos realizado desarrollos separados para sondas DC (para medidas eléctricas en corriente continua en modo de contacto) y sondas AC (para la medida de la respuesta alterna en modo dinámico). Hemos demostrado la fabricación mediante procesos de microfabricación estándar de sondas de SPM (vigas en voladizo con puntas tetraédricas integradas) conductoras y eléctricamente aisladas excepto en el extremo de la punta y en la zona de contacto eléctrico. El radio de la punta se ha medido a partir de la resolución de las imágenes topográficas y de técnicas de calibración eléctricas, mostrando ambas medidas un muy buen acuerdo, con valores en el rango de 30-50nm. Estos valores están de acuerdo con la especificación requerida por el proyecto BOND (radio de la punta menor que 100nm). La constante de fuerza de las sondas se ha calibrado mediante la técnica de la sintonización térmica. Los valores medidos están de acuerdo con las especificaciones requeridas en el proyecto BOND. Se ha medido el gradiente de capacidad entre las sondas y un substrajo conductor (grafito HOPG) en función de la distancia punta-substrato, utilizando un montaje con resolución de attofaradios. Estas medidas demostraron que la capacidad parásita entre las distintas partes de la sonda (viga, cono de la punta y sustrato de la sonda) y el substrato conductor se redujo a un valor no detectable tanto para las sondas DC como para las AC. Se ha medido también la deflexión estática de la viga de una sonda AC debida al acoplamiento capacitivo entre la sonda y el substrato, en función del voltaje DC aplicado manteniendo constante la distancia (500 nm). Las medidas mostraron que el acoplamiento capacitivo entre la sonda y el substrato conductor es mucho menor que el correspondiente a una sonda con la viga totalmente cubierta por metal, resultado que está de acuerdo con el diseño de las sondas. Hasta donde sabemos, estas son las primeras sondas de SPM conductoras y aisladas que se han fabricado con contribuciones de capacidad parásita muy reducidas respecto a las sondas convencionales. Se han realizado además experimentos de EFM y AFM túnel (TUNA) con las sondas AC. Se observó un muy buen acuerdo entre las imágenes de EFM y topográficas tomadas simultáneamente de nanoestructuras de óxido de silicio en silicio altamente dopado. Se observó una relación lineal entre la corriente TUNA y el voltaje DC aplicado entre la sonda y el substrato conductor. Estos resultados muestran el buen comportamiento eléctrico de las sondas. Se espera que la capa dieléctrica de las sondas minimice la conductancia parásita entre la viga de la sonda y las muestras en un medio líquido. Por ello se espera que las sondas AC puedan ser utilizadas para la caracterización eléctrica local de muestras con pequeña señal en ambiente líquido. En las sondas DC, al ser silicio el material de la punta, el óxido nativo bloqueó el contacto eléctrico entre la punta y el substrato conductor en las medidas de la corriente TUNA. Para abordar este problema se realizaron pruebas con siliciuros de titanio y de tántalo como capas conductoras en las sondas. Sin embargo las condiciones de grabado del nitruro de silicio (la capa dieléctrica usada en las sondas) disponibles tienen poca selectividad con estas capas de siliciuro. Se requerirían por tanto estudios adicionales para resolver este problema y poder fabricar sondas DC óptimas para la caracterización topográfica y eléctrica de muestras en ambiente líquido.We have developed insulated conductive SPM probes for scanning impedance microscopy characterization in liquid environment. The probes have been developed due to the need of characterizing olfactory biosensor devices within the European project BOND. We have made separate developments for DC probes (for DC electrical measurements in contact mode) and AC probes (to measure the AC response in dynamic mode). We have demonstrated the batch fabrication of conductive SPM probes (cantilevers integrated with sharp tetrahedral tips) insulated except at the very tip apex and the contact pad area with standard microfabrication processes. The tip radius of the fabricated probes obtained from topographic image resolution and electrical calibration techniques show very good agreement and gave tip radius values in the range of 30-50nm. These tip radius values satisfy the specification for the probes tips as required by the BOND project (which was tip radius value of less than 100nm). The force constant of the fabricated probes was calibrated using the thermal tuning technique. The force constant values of the characterized probes were found to satisfy the specification values for the probe cantilevers as required by the BOND project. Capacitance gradient between the fabricated probes and a conductive substrate (HOPG) as a function of tip-substrate distance was measured by a setup with attofarad resolution. These measurements demonstrated that the stray capacitance between the different parts of the probes (cantilever, tip cone and probe substrate) and the conductive substrate was reduced to a non-detectable limit for both DC and AC probes. Static deflection of an AC probe cantilever due to the probe substrate capacitance coupling was measured as a function of DC applied voltage at constant tip-substrate distance (500 nm). Capacitance coupling between the fabricated AC probe cantilever and the conductive substrate was highly reduced compared to what will be between the conductive substrate and a probe cantilever with full metallic coating. These results are consistent with the design of the probes. We claim, to the best of our knowledge, that we are the 1st in fabricating insulated conductive SPM probes with much reduced stray capacitance contributions. Further EFM and tunneling AFM (TUNA) experiments were made with AC probes. Very good agreement between simultaneously taken EFM and topography images of silicon oxide nanostructures on highly doped silicon was observed. And linear relationship between TUNA current and DC applied voltage (between the probe and a conductive substrate) was observed. These results show the good electrical behavior of the probes. The dielectric coating is expected to minimize the parasitic conductance between the probe cantilever and samples in liquid media. Therefore, it is expected that the AC probes can be utilized for local electrical characterization of small signal samples in liquid environment. In the DC probes, as the tip material is silicon, the native oxide on the tip blocked electrical contact between the probe tip and the conductive substrate in TUNA current measurement. To address the issue of native oxide, we performed titanium and tantalum silicide (as probe conducting layers) test runs. But we found that the silicon nitride (the dielectric layer used on the probes) etching conditions which are available at IMB-CNM clean room facility have poor selectivity to titanium and tantalum silicide layers. We believe that further test is needed to address the titanium or tantalum silicide selectivity problem to fabricate optimum DC probes for topographic and electrical characterization of samples in liquid environment

Variabilitat depenent del temps per BTI i portadors calents en MOSFETS ultraescalats

Durant el treball de tesi s'ha permès ampliar una línia d'investigació al grup de recerca REDEC (Reliability of Electron Device and Circuits) del Departament d'Enginyeria Electrònica de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), dedicada a la fiabilitat del transistors MOSFET nanoelectrònics. En particular, en l'estudi de la degradació per Channel Hot-Carrier (CHC), Bias Temperature Instability (BTI). A més, també s'ha estudiat la variabilitat relacionada amb el procés de fabricació, així com els efectes de la degradació i variabilitat dels transistors en el funcionament de circuits electrònics. Dintre d'aquest camp, aquesta tesi s'ha centrat en l'estudi del mecanisme de degradació BTI del material de porta dels MOSFETs. En aquest cas s'ha analitzat la degradació de transistors MOSFET per CHC i BTI, estressos inhomogenis i homogenis, respectivament. Una de les característiques exclusives d'aquest mecanisme ha estat la dependència de la degradació induïda amb el temps de relaxació (temps que transcorre des que l'estrès s'atura fins que es mesura els seus efectes), realitzada per configuracions experimentals molt específiques i ajustos de la instrumentació utilitzada. Per aquest motiu, durant aquest treball s'ha implementat i optimitzat el set-up experimental necessari per a l'estrès i la caracterització dels efectes dels estressos a nivell de dispositius, tenint en compte el temps de relaxació. Aquest set-up ha estat emprat per a fer un estudi exhaustiu d'aquest mecanisme de degradació, analitzant la dependència de la variació de la tensió llindar amb els paràmetres d'estrès tals com la tensió, temperatura, temps d'estrès i temps de relaxació. A partir dels resultats obtinguts, s'ha proposat una llei empírica que permet predir el valor de la tensió llindar a les tensions a les condicions d'operació dels dispositius dins de circuits electrònics, com inversors i cel·les de memòria, amb l'objectiu de incloure-les en simuladors de circuits. La metodologia de caracterització de dispositius més simulació de circuits adoptada en aquest treball obre nova via per anàlisi de la fiabilitat de dispositius i circuits, extrapolable a altres tecnologies.This thesis was carried out within one of the several lines of investigation of the REDEC (Reliability of Electron Device and Circuits) from Department of Electronic Engineering, located at the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), which marks its research activities. In particular, the influence of degradation mechanisms, Channel Hot-Carrier (CHC) and Bias Temperature Instability (BTI), was studied. Furthermore, the device level degradation with respect to the fabrication process and its influence on the electronic circuit performance was also investigated. Within this field, this thesis has been focused on the study of these degradation mechanisms with respect to the gate material. In the case, of CHC and BTI, an inhomogeneous and homogeneous stress, respectively, is analyzed. One of the exclusive features of this mechanism has been the dependence of the induced degradation as a function of the relaxation time (period of time between stop of the stress and the moment of measurement), realized by specific configurations and adjustments of the instrumentation used. For this reason, during this work the experimental set-up has been implemented and optimized for the device-level stress and characterization. This set-up has been used to make a thorough study of this degradation mechanism, analyzing the dependence of the variation of the threshold voltage based on different stress parameters, such as voltage, temperature, stress time and relaxation time. Based on the obtained results an empirical law has been proposed, which can be used to predict the threshold voltage of operating devices forming part of composite elements, such as inverters and memory cells, in order to integrate it into circuit simulations. The device characterization methodology and simulations used in this thesis opens a new way in order to analyze the devices and circuit reliability, extendable to other technologies

Estudio de las propiedades de radiación de partículas resonantes con aplicaciones en sistemas de comunicaciones /

BibliografiaEl sector de las radiocomunicaciones ha experimentado un drástico desarrollo estos últimos años. Entre ellos, los sistemas de comunicaciones inalámbricos han sufrido un gran crecimiento en la sociedad moderna motivado por el elevado número de servicios en que se pueden aplicar (por ejemplo radiodifusión, telefonía móvil, posicionamiento por satélite o bien identificación por radiofrecuencia). Esto ha motivado la investigación de nuevos dispositivos de microondas con diferentes y mejores prestaciones. La tendencia más extendida actualmente consiste en utilizar tecnologías planares para la realización de los elementos radiantes (típicamente parches metálicos o dipolos de media longitud de onda), lo que permite obtener diseños de bajo coste y fácilmente integrables con el resto de circuitería impresa. Puesto que estos dispositivos son progresivamente más compactos, un aspecto clave también es la búsqueda de técnicas para reducir las dimensiones finales de las antenas así como mejorar su funcionalidad. Una metodología aplicada ampliamente con anterioridad consiste en cargar las antenas impresas con estructuras resonantes (provenientes del campo de los metamateriales) para reducir su frecuencia de operación así como lograr un funcionamiento multifrecuencia. Recientemente, sin embargo, se ha presentado otra alternativa basada en utilizar un resonador Split Ring Resonator trabajando a la segunda resonancia como elemento radiante puesto que muestra unas propiedades de radiación interesantes en términos de eficiencia de radiación e impedancia de entrada. El objetivo principal de esta tesis ha sido, por tanto, explotar el comportamiento de esta partícula (y otras configuraciones derivadas) a la segunda frecuencia de resonancia como radiador para mejorar las prestaciones de las antenas planares convencionales en una variedad de aplicaciones. Esto abarca las antenas microstrip, las agrupaciones de antenas y, en último término, las superficies polarizadoras.The radiocommunication sector has suffered a rapid development in recent years. Among them, wireless communications systems have shown a great growth in modern society due to the high number of services in which they can be applied (e.g. radio broadcasting, mobile telecommunications, satellite navigation or radio frequency identification). This has motivated a research of new microwave devices with different and improved features. The current trend is to use planar technologies for the realization of radiating elements (typically metallic patches or half-wavelength dipoles), which allows to obtain low cost designs that can be easily integrated with all the printed circuitry. Since these devices are more and more compact, a key point is also the search for techniques to reduce the final dimensions of the antennas as well as to improve their functionality. A widely applied methodology is to load the printed antennas with resonant structures (coming from the field of metamaterials) to reduce their operating frequency as well as to achieve multifrequency operation. Recently, however, another alternative has been proposed based on using a Split Ring Resonator working at the second resonance as a radiator since it shows interesting radiation properties in terms of its radiation efficiency and input impedance. Therefore the main objective of this thesis has been to exploit the behavior of this resonant particle (and other derived configurations) at the second resonant frequency as a radiating element to improve the performance of conventional planar antennas in a variety of applications. This includes microstrip antennas, antenna arrays and, moreover, polarizer sheets

Estudio de la reversibilidad de la ruptura dieléctrica en dispositivos MOS con dieléctrico de puerta high-k ultra delgado

Para lograr el estudio de la ruptura dieléctrica, y concretamente la caracterización y observación del fenómeno de su reversibilidad, se ha realizado una elevada cantidad de medidas que ha generado un volumen muy grande de datos que procesar y analizar, ha sido necesario el análisis estadístico de algunos de los parámetros y eventos que caracterizan el fenómeno, lo que requiere reproducir el fenómeno un gran número de veces, tanto en un mismo dispositivo como en diferentes, y en diversas condiciones de trabajo y/o con procedimientos de medida distintos. Esto se ha hecho con el objetivo de estudiar la variabilidad y evolución del fenómeno y los parámetros que lo caracterizan tras provocar un elevado número de veces la ruptura y su reversibilidad en un mismo dispositivo

Study and modeling of multi-gate transistors in the context of CMOS technology scaling

L'escalat dels transistors MOSFET convencionals ha portat a aquests dispositius a la nanoescala per incrementar tant les seves prestacions com el nombre de components per xip. En aquest process d'escalat, els coneguts "Short Channel Effects" representen una forta limitació. La forma més efectiva de suprimir aquests efectes i aixi estendre l'ús del MOSFET convencional, és la reducció del gruix de l'òxid de porta i l'augment de la concentració de dopants al canal. Quan el gruix d'òxid de porta es redueix a unes quantes capes atòmiques, apareix l'efecte túnel mecano-quàntic d'electrons, produint un gran augment en els corrents de fuita, perjudicant la normal operació dels MOSFETs. Això ha fet obligatori l'ús de materials d'alta permitivitat o materials high-κ en els dielèctrics de porta. Tot i les solucions proposades, la reducció de les dimensiones físiques del MOSFET convencional no pot ser mantinguda de forma indefinida i per mantenir la tendència tecnològica s'han suggerit noves estructures com ara MOSFETs multi-porta de cos ultra-prim. En particular, el MOSFET de doble porta és considerat com una estructura multi-porta prometedora per les seves diverses qualitats i avantatges en l'escalat. Aquesta tesi s'enfoca en la modelització de dispositius MOSFET de doble porta i, en particular, en la modelització del corrent túnel de porta que afecta críticamente al consum de potència del transistor. Primerament desenvolupem un model quàntic compacte tant per al potencial electrostàtic com per a la càrrega elèctrica en el transistor de doble-porta simètric amb cos no dopat. Després, aquest model quàntic s'utilitza per proposar un model analític compacte per al corrent túnel directe amb SiO2 com dielèctric de porta, primerament, i després amb una doble capa composta de SiO2 com a capa interfacial i un material "high-κ". Finalment se desenvolupa un mètode precís per calcular el corrent túnel de porta. El mètode es basa en l'aplicació de condicions de frontera absorbents i, més especificament, en el mètode PML. Aquesta tesi està motivada per les recomanacions fetes pel "International Technology Roadmap of Semiconductors" (ITRS) sobre la necessitat existent de modelatge i simulació d'estructures semiconductores multi-porta.The scaling of the conventional MOSFETs has led these devices to the nanoscale to increase both the performance and the number of components per chip. In this process, the so-called "Short Channel Effects" have arisen as a limiting factor. To extend the use of the bulk MOSFETs, the most effective ways of suppressing such effects are the reduction of the gate oxide thickness and increasing of the channel doping concentration. When the gate oxide thickness is reduced to a few atomic layers, quantum mechanical tunneling is responsible of a huge increase in the gate leakage current impairing the normal operation of MOSFETs. This has made mandatory the use of high permittivity materials or high-κ as gate dielectrics. Despite the proposed solutions, reduction of the physical dimensions of the conventional MOSFETs cannot be maintained. To keep the technological trend, new MOSFET structures have been suggested such as ultra-thin body Multi-Gate MOSFETs. In particular, the Double-Gate MOSFETs is considered as a promising MG structure for its several qualities and advantages in scaling. This thesis focuses on the modeling of Double-Gate MOSFET and, in particular, on the modeling of the gate leakage current critically affecting the power consumption. First we develop a compact quantum model for both the electrostatic potential and the electric charge in symmetric double-gate MOSFET with undoped thin body. Then, this quantum model is used to propose an analytical compact model for the direct tunnelling current with SiO2 as gate dielectric, firstly, and later assuming a dual layer consisting of a SiO2 interfacial layer and a high-κ material. Finally, an accurate method for the calculation of the gate tunnelling current is developed. It is based on Absorbing Boundary Conditions techniques and, more specifically, on the Perfectly Mached Layer (PML) method. This thesis is motivated by the recommendations given by the "International Technology Roadmap of Semiconductors" (ITRS) about the need for the modeling and simulation of multi-gate semiconductor structures

Advanced nanoscale characterization concepts for copper interconnection technologies /

Bibliografia.Premi Extraordinari de Doctorat concedit pels programes de doctorat de la UAB per curs acadèmic 2016-2017En tecnologías de interconexión de cobre, las propiedades de cobre (Cu) y especialmente su oxidación, dificultan su implementación en comparación con materiales estándar como el aluminio o el oro. Como Cu es susceptible de oxidación, incluso a temperatura ambiente, la caracterización de superficies de Cu es un aspecto importante para el desarrollo del proceso. En esta tesis, se ha desarrollado un nuevo método para investigar la oxidación de superficies del Cu en la nanoescala utilizando técnicas combinadas de caracterización. Se obtuvieron valores característicos de la diferencia de potencial de contacto (CPD) para los diferentes estados del óxido de cobre. Se utilizaron técnicas de microscopia como PF-KPFM que permitieron distinguir entre los diferentes tipos de óxido de Cu con resolución nanométrica y correlacionar los estados de oxidación a las características de la topografía local. Además, se introdujeron capas de pasivación en el rango nanométrico para alcanzar condiciones superficiales estables y fiables sin limitar los procesos de interconexión. Para la realización de medidas precisas mediante microscopía de fuerzas atómicas (AFM) de variaciones superficiales de recubrimientos protectores orgánicos muy suaves, la punta de la sonda AFM debe funcionar en un medio líquido. El modelo numérico presentado es capaz de proporcionar predicciones precisas de la resistencia de las fuerzas presentes en aplicaciones AFM en medios fluidos. Se ha demostrado que palancas triangulares presentan fuerzas de arrastre inferiores. Se pudo demostrar la influencia de diferentes líquidos como agua ultrapura o una mezcla de etanol y agua, así como la variación de la temperatura inducida de la fuerza de arrastre. Los estudios realizados demostraron que monocapas finas autoensambladas orgánicas (SAM) actúan como barrera efectiva para proteger al cobre de la corrosión. El modelo numérico mejoró las medidas de AFM en medios líquidos y permitió la caracterización a escala nanométrica de capas SAM con CH3 para proteger la superficie del Cu. Técnicas como TR-TUNA y dCFM permitieron la correlación de alta hidrofobicidad con corrientes túnel de bajo nivel en escala nanométrica manteniendo la integridad intacta de la película y viceversa. Alta corriente y baja hidrofobicidad podrían estar relacionados con la desintegración de la capa local SAM y la oxidación local de la superficie de Cu a 100°C. Una temperatura de 150°C conduce finalmente a una descomposición completa de la capa de SAM. También se analizó el efecto protector del platino (Pt) y del carbono (C) de superficies de Cu combinado técnicas no destructivas de microscopia electrónica de barrido (SEM) y PF-KPFM. Se observó que una película de C proporciona un efecto protector mucho mejor que una capa de Pt. No se observó degradación progresiva relevante de la capa de C hasta una temperatura de 200 ° C con espesores por debajo de 3 nm. Por el contrario, superficies de Cu protegidas con capas de 10 nm de Pt muestran ya a una temperatura de 150 ° C granos de óxido de Cu localmente crecidos. También se ha analizado la bola de aire de Cu de libre formación (FAB) utilizando técnicas de caracterización basadas en SEM. Cambios topográficos de FABs de varios diámetros podrían deberse a la oxidación de capas con espesores inferiores a 55 nm. Los resultados mostraron que la oxidación de FABs se produce solamente en la superficie. Una estructura de grano más fina y un tamaño de grano más pequeño se pueden conseguir con descargas de voltajes bajos. Por el contrario, se detectó una baja densidad de dislocación en las fronteras para voltajes más altos. La transferencia de calor hasta el cable y el enfriamiento convectivo por aire circundante podría explicar las conclusiones introducidas con respecto a la oxidación y la densidad de dislocación.For the implementation of a direct copper-copper interconnection technology, the different properties of copper (Cu), especially the oxidation behavior, impede the easy transition to Cu compared to standard materials such as aluminum or gold. Since Cu is subject to oxidation, even at room temperature, the characterization of the Cu surface is an important aspect for the process development. A novel method to research the oxidation behavior of the Cu surface in the nanoscale was developed by using combined characterization techniques. Characteristic values of the Contact Potential Difference (CPD) were obtained for the copper oxide states. By this means, Peakforce Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM) enabled to distinguish between the different types of Cu oxide with nanometer resolution and to correlate the oxidation states to local topography features. Beside the nanoscale characterization of the Cu surface, novel passivation layer in the nanometer range were introduced to achieve reliable and stable surface conditions without limiting the ability for interconnection processes. For advanced atomic force microscopy (AFM) investigations of chemical surface modifications or very soft organic protective coatings, the AFM probe tip needs to be operated in a liquid environment. The presented numerical model is able to provide accurate predictions of the drag forces present in AFM fluid imaging applications. It could be shown that triangular cantilevers provide significant lower drag forces. The influence of different liquids such as ultrapure water or an ethanol-water mixture as well as the temperature induced variation of the drag force could be demonstrated. Studies showed that thin organic Self-Assembled Monolayer (SAM) act as effective barrier to protect Cu from corrosion. The numerical model improved the AFM fluid measurements and enabled the nanoscale characterization of the CH3-terminated SAM film protecting the Cu surface. Torsional Resonance Tunneling AFM (TR-TUNA) and dynamic Chemical Force Microscopy (dCFM) enabled the correlation of high hydrophobicity and low tunneling current on nanometer scale with intact film integrity and vice versa. Compared with additional analyses, high current and low hydrophobicity could be assigned to local SAM film disintegration and local oxidation of the Cu surface at 100 °C. 150 °C finally leads to a complete decomposition of the SAM film. In addition to SAM films, the protective effect of platinum (Pt) and carbon (C) based films deposited onto Cu surfaces was reported by combined non-destructive Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques and PF-KPFM. A C film provides a much better protective effect than a Pt layer. Besides very local sporadically distributed Cu oxide grains, a gradual degradation of the C film was not observable for a temperature up to 200 °C and layer thicknesses down to 3 nm. In contrast, the 10 nm Pt protected Cu surface exhibits already at a temperature of 150 °C locally grown Cu oxide grains. The C film passivated Cu surface has the potential of being a key technique for a reliable Cu-Cu wire bonding. Beside the research of the Cu pad surface, the Cu free air ball (FAB) formation in the ambient environment was investigated by using SEM based characterization techniques. Topographic changes of FABs with various diameters could be assigned to different oxidation layers which were well below a thickness of 55 nm. Element mappings of cross sectioned FABs showed that the oxidation occurs only on the surface. A finer grain structure and a lower grain size could be achieved by lower discharge voltages. In contrast, a lower dislocation density at the borders could be detected for higher EFO voltages. The heat transfer up to the wire and the convective cooling by the surrounding air could explain the introduced conclusions regarding the oxidation and the dislocation density